CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP VÀ PHUN PHỦ113.160.134.160/sach/02200000.pdfCÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP VÀ PHUN PHỦ

TH.S ĐINH VĂN BÂN - NGUYỄN THANH PHÚ

ĐỀ CƢƠNG BÀI GIẢNG

CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP VÀ PHUN PHỦ

(HỆ ĐẠI HỌC 2 TÍN CHỈ)

HƢNG YÊN 2012

ĐÊ CƯƠNG CN HAN ĐAP VA PHUN PHU

Chương 1

CÁC KHÁI NIỆM CỦNG CỔ VỀ BỀ MẶT

1.1 Các khái niệm chung về bề mặt .................................................................... 6

1.1.1 Định nghĩa và phân loại bề mặt .............................................................. 6

1.1.2. Vai trò của bề mặt .................................................................................. 8

1.1.3. Đặc tính của bề mặt ............................................................................... 8

1.1.4. Sự hấp phụ ........................................................................................... 8

1.1.5. Cấu trúc điện tử của bề mặt ................................................................... 9

1.1.6. Cấu trúc và sự hình thành cấu trúc lớp bề mặt .................................... 11

1.2. Thực chất, đặc điểm và phân loại các dạng hỏng chi tiết .......................... 13

1.2.1. Các dạng hư hỏng thường gặp ............................................................. 13

1.2.2 Khái niệm về mài mòn và ăn mòn ........................................................ 13

1.3. Phân loại các phương pháp công nghệ phục hồi và xử lý bề mặt chi ...... 22

Chương 2

CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP KIM LOẠI

2.1. Các tính chất chung trong kỹ thuật hàn đắp ............................................... 23

2.1.1 Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng ........................................................ 23

2.1.2 Tính chất của kim loại lớp đắp ............................................................. 24

2.2. Phân loại các phương pháp hàn đắp ........................................................... 29

2.2.1. Hàn đắp hồ quang tay bằng que hàn .................................................... 29

2.2.1.1 Chọn que hàn đắp ........................................................................... 30

2.2.1.2 Kỹ thuật hàn đắp bằng que hàn thép .............................................. 31

2.2.1.3 Hàn đắp thép các bon trung bình và thép hợp kim trung bình .... 32

2.2.2. Hàn đắp tự động dưới lớp thuốc .......................................................... 34

2.2.3. Hàn đắp tự động bằng dây hàn lõi bột ................................................. 42

2.2.4. Hàn đắp tự động trong môi trường khí bảo vệ .................................... 44

2.2.5 Hàn đắp tự động hồ quang rung .......................................................... 48

2.2.6 Hàn đắp điện xỉ ..................................................................................... 53

2.2.7. Hàn đắp bằng hồ hồ quang plasma ..................................................... 56

2.3. Vật liệu trong công nghệ hàn đắp............................................................... 62

2.3.1 Vật liệu hàn ........................................................................................... 62

2.3.2 Que hàn đắp .......................................................................................... 63

2.3.3 Thuốc hàn nóng chảy ............................................................................ 64

2.3.4 Công nghệ phục hồi chi tiết hàn đắp .................................................... 65

2.4 Công nghệ xử lý nhiệt trước, trong và sau khi hàn ..................................... 74


2.4.1 Nhiệt độ nung nóng .............................................................................. 74

2.4.2 Xử lý nhiệt sau khi hàn ......................................................................... 81

2.5 Tính chất của kim loại đắp ..................................................................... 84

2.5.1 Không đồng nhất về cấu trúc ............................................................... 84

2.5.2. Không đồng nhất về thành phần hoá học ............................................ 84

2.5.3. Độ cứng và khả năng chịu mài mòn .................................................... 85

2.5.4. Độ bền mỏi .......................................................................................... 85

2.6 Một số biện pháp nâng cao chất lượng phục hồi bằng hàn ......................... 85

2.6.1. Gia công nhiệt ...................................................................................... 85

2.6.2. Biến cứng nguội ................................................................................... 86

2.6.3. Gia công cơ điện .................................................................................. 87

Chƣơng 3. CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ

3.1 Khái niệm và đặc điểm ................................................................................ 93

3.1.1 Thực chất .............................................................................................. 93

3.1.2 Đặc điểm ............................................................................................... 93

3.1.3 Công dụng ............................................................................................. 94

3.2 Công nghệ phun phủ ................................................................................... 95

3.2.1 Khái quát về phân loại phun phủ ......................................................... 95

3.2.2 Phun khí cháy ...................................................................................... 95

3.2.3 Phun hồ quang điện .............................................................................. 98

3.2.4. Phun nổ .............................................................................................. 101

3.2.5. Phun Plasma ...................................................................................... 103

3.3. Sự hình thành và cấu trúc của lớp phủ kim loại ....................................... 105

3.3.1. Những quan điểm lý thuyết về sự hình thành lớp phun phủ ............. 105

3.3.2 Cơ cấu hình thành lớp phủ ................................................................. 107

3.3.3 Cấu trúc của lớp phủ kim loại............................................................. 109

3.4 Độ bám dính và tính chất của lớp phủ kim loại .................................... 110

3.4.1 Các lực liên kết giữa lớp phủ và nền .................................................. 110

3.4.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến độ bám dính của lớp phủ .................... 114

3.4.3. Tính chất của lớp phủ ........................................................................ 120

3.5 Quy trình công nghệ phun phủ .................................................................. 124

3.5.1. Kiểm tra kết cấu, vật liệu ................................................................... 124

3.5.2. Vật liệu phun ..................................................................................... 124

3.5.3. Công nghệ chuẩn bị bề mặt trước khi phun ....................................... 127

3.5.4. Xác định chế độ công nghệ phun phủ .............................................. 132

3.5.5. Gia công cơ khí sau khi phun, xử lý nhiệt lớp phủ ............................ 137


3.5.6. Kiểm tra lớp phủ ................................................................................ 137

3.5.7. Các yêu cầu về an toàn lao động ....................................................... 143


Chƣơng 1

CÁC KHÁI NIỆM CỦNG CỔ VỀ BỀ MẶT

1.1 Các khái niệm chung về bề mặt

Hiện nay công nghệ xử lý bề mặt ngày càng được quan tâm do nó có ý nghĩa quan

trọng và quyết định nhiều đến tính chất của vật liệu. Có thể nói, một chi tiết máy móc

thiết bị khi làm việc ở bất kỳ môi trường nào thì “mọi dạng phá huỷ về mỏi, mài mòn,

ăn mòn, đều được quyết định chủ yếu bởi cấu trúc của lớp bề mặt”.

Xuất phát từ nhu cầu đó đã có nhiều nghiên cứu, giải pháp nhằm khai thác các

tính chất của bề mặt và nâng cao hệ số sử dụng vật liệu.

Một trong những giải pháp đó là tạo ra một lớp bề mặt có khả năng đáp ứng các

điều kiện làm việc như: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt...

Đến nay, có thể kể đến các phương pháp xử lý bề mặt như:

- Hoá nhiệt luyện.

- Nhiệt luyện.

- Tạo các lớp phủ lên bề mặt: mạ, nhúng, xử lý bề mặt bằng laser, phun phủ…

1.1.1 Định nghĩa và phân loại bề mặt

Định nghĩa:

Bề mặt là biên giới của 2 pha khác nhau, ở đây phải chú ý đến phần ranh

giới của vật thể với môi trường xung quanh, có nghĩa là đối với môi trường đó vật thể

có mối quan hệ trực tiếp hay không.

Trong chế tạo máy đưa ra 2 khái niệm về bề mặt:

Bề mặt hình học : là bề mặt được biểu thị bằng bản vẽ chi tiết. Đây là bề mặt danh

nghĩa mang nhiều tính chất lý tưởng.

Bề mặt thực tế hay còn gọi là bề mặt kỹ thuật: Là bề mặt không chỉ hàm ý về độ

sạch đặc trưng hình học mà còn liên quan đến tính chất của lớp kim loại dưới bề mặt.

Chất lượng bề mặt được đặc trưng bởi 3 yếu tố :

Dạng hình học (bao gồm dạng hình học vĩ mô và vi mô);

Chất lượng của bề mặt biên giới (bao gồm các tính chất lý hoá);

Chất lượng của lớp dưới bề mặt (ứng suất dư, độ cứng nguội,...).

Lựa chọn chất lượng bề mặt chi tiết còn phụ thuộc vào loại tải trọng mà bề mặt chi

tiết phải làm việc. Do vậy có thể phân loại bề mặt kỹ thuật theo loại tải trọng.

Tính chất vật lý của lớp dưới bề mặt khác với tính chất của vật liệu bản thân, tức

là nó khác tính chất của các lớp phía trong của vật liệu vì chúng có sự khác nhau về

cấu trúc. Nguyên nhân của sự khác nhau đó là do sự tác động của quá trình sản xuất

với các phương pháp công nghệ gia công, ví dụ: gia công áp lực, gia công cắt gọt, ...


Nói chung các chi tiết máy biểu thị bằng hai loại: bề mặt làm việc và bề mặt không

làm việc. Bởi vậy trên mỗi loại bề mặt không chỉ có yêu cầu khác nhau về tính chất

cũng như phương pháp gia công, mà ngay cả phương pháp sửa chữa chúng cũng khác

nhau.

Sơ đồ (H1.1) biểu diễn quy tắc chung của bề mặt kỹ thuật, có thể là bề mặt chịu tải

hoặc không chịu tải. Tải trọng có thể là tải trọng cơ học hoặc các đặc trưng khác, như

tác dụng hoá học, nhiệt, ...

Phân loại bề mặt kỹ thuật:

H1.1. Sơ đồ phân loại các bề mặt kỹ thuật

Bề mặt chịu tải trọng động:

Là các bề mặt chịu tải trọng chu kỳ hoặc tải trọng cắt, thường gặp là các bề mặt

chịu tải trọng động chu kỳ(đó là các bề mặt trượt). Ví dụ như bề mặt trượt của ổ bi,

mặt bên của răng các bánh răng, pittông, ... ở các bề mặt này thường xảy ra ma sát

trượt và đó là nguyên nhân gây ra mòn cơ học bề mặt làm việc.

Bề mặt chịu tải trọng tĩnh:

Là các bề mặt lắp ghép, các bề mặt đỡ, các bề mặt lót. Yêu cầu các bề mặt này là

chúng phải tiếp xúc với nhau tốt nhất để bảo đảm sự phân bố áp lực đồng đều trên

suốt bề mặt và bảo đảm đạt độ lắp ghép tốt nhất.

Ngoài tải trọng cơ học còn có các bề mặt chịu tải trọng do tác dụng lý học, chúng

thường phải xử lý thích hợp để bề mặt có khả năng chịu tác dụng gỉ, nhiệt,...


1.1.2. Vai trò của bề mặt

* Bề mặt có ý nghĩa quyết định: Mọi dạng phá huỷ vì mỏi, vì ăn mòn...

Cấu trúc và tính chất của bề mặt phân chia giữa các cấu tử thụ động và hoạt động

quyết định nhiều tính chất trong các vi điện tử.

Sự lựa chọn vật liệu sử dụng trong môi trường ăn mòn và mài mòn có ý nghĩa lớn

về kinh tế, kỹ thuật và bảo vệ môi trường.

Tính chất xúc tác của bề mặt trong các quá trình hoá học, sinh học đã tạo ra các vật

liệu mới bằng cách biến đổi cấu trúc và tính chất của lớp bề mặt: cấy ion, vật liệu vô

định hình,...

* Các giải pháp kỹ thuật để khai thác các tính chất của bề mặt:

Luyện kim: quá trình đông đặc, phát triển tinh thể, thiêu kết, kết tinh lại, chuyển

biến pha, sự sát nhập hạt...

Cơ khí: quá trình hình thành và phát triển vết nứt với sự phá huỷ mỏi, vùng dão,

phối hợp tính chất của nền và cốt trong composit, ma sát, mài mòn, bôi trơn, dính

bám,...

Hoá học: ăn mòn và bảo vệ vật liệu, xúc tác, liên kết ceramic kim loại, mạ,...

Khái niệm bề mặt mở rộng sang cả các mặt phân cách, mặt phân chia pha, nơi

chuyển tiếp trong một pha đa tinh thể (VD: biên giới hạt trong tổ chức ferit), biên giới

hạt trong vùng đa pha đa tinh thể, biên giới vùng bề mặt vô định hình với vật liệu phía

bên trong sau khi sử lý bằng laser.

Các nhóm vấn đề cần phải giải quyết sau đây:

Nghiên cứu nhiệt động học, tập hợp toàn bộ mối quan hệ giữa cấu trúc bề mặt

vào một đại lượng là sức căng bề mặt.

Nghiên cứu về hình học bề mặt cho phép thiết lập các mô hình cấu trúc nguyên tử

Cấu trúc điện tử vùng sát lớp bề mặt(hoạt tính của bề mặt, sự hình thành lớp phủ).

Trên bề mặt luôn có sự không liên tục do các đường phân chia pha, các vùng pha

khác nhau, các khuyết tật v.v, chúng là các nhân tố có ảnh hưởng lớn tới các tính chất

của bề mặt và do đó ảnh hưởng tới mọi quá trình dị thể có liên quan.

1.1.3. Đặc tính của bề mặt

Về mặt hình học: Hình dạng chung, độ nhấp nhô

Về mặt cơ học: Độ cứng, độ mài mòn, hệ số ma sát.

Về mặt cấu trúc: Sự sắp xếp các nguyên tử bề mặt.

Về mặt hoá lý: Thành phần hoá học, sự hấp phụ bề mặt.

1.1.4. Sự hấp phụ

Bề mặt vật liệu luôn luôn có tác động qua lại với môi trường, luôn luôn có mặt các

nguyên tử lạ định cư gọi là các nguyên tử hấp phụ. Quá trình hấp phụ là quá trình hình


thành và phát triển một lớp nguyên tử định cư trên bề mặt vật liệu. Các nguyên tử này

có thể đến từ môi trường (pha khí) hoặc từ tâm vật liệu do quá trình vận chuyển sàng

lọc lên bề mặt.

Quá trình hấp phụ có ý nghĩa lớn về mặt khoa học và kỹ thuật: quá trình oxy hoá,

ăn mòn kim loại, tạo lớp bề mặt, trong xúc tác hoạt tính, quá trình phân tích,...

Nghiên cứu sự phát triển lớp hấp phụ phải đề cập đến:

Sự tạo mầm và phát triển mầm pha mới

Bản chất độ lớn của lực tương tác giữa cấu tử hấp phụ và vật liệu

Từ bản chất và độư;lớn của lực tương tác người ta chia ra:

Hấp phụ vật lý: không có sự trao đổi, vận chuyển, góp chung electron, liên

kết ở đây chỉ đơn thuần là lực Vander Waals

Hấp phụ hoá học: khác với hấp phụ vật lý, hấp phụ hoá học là giai đoạn đầu

tạo nên các hợp chất hoá học nhờ việc góp chung hoặc trao nhận các electron.

1.1.5. Cấu trúc điện tử của bề mặt

Sự tạo nên một bề mặt mới do hấp phụ một số nguyên tử lạ có thể làm mất đi tính

chất điện tử ban đầu của bề mặt vật liệu. Nếu có các cấu tử hấp phụ thì sẽ tạo một lớp

điện tích kép trên bề mặt: khi hấp phụ thì các nguyên tử hấp phụ ở lớp trên còn

nguyên tử kim loại ở lớp dưới. Do hiệu ứng điện từ, các cation kim loại phía dưới thu

hút các electron tạo nên sự quá tập trung ở lớp dưới, đồng thời có sự thiếu hụt điện tử

ở lớp trên của tầng hấp phụ. Do đó lớp hấp phụ tạo nên một điện trường đều.

Tất cả mọi biến đổi về cấu trúc hoặc thành phần bề mặt đều làm mất trạng thái

điện tử ban đầu của bề mặt.

Lớp hấp phụ trên bề mặt kim loại gây nên các hậu quả: Tăng mật độ electron trên

bề mặt, là màn chắn hữu hiệu các trường bên ngoài.

Các đặc tính của bề mặt phụ thuộc vào hai yếu tố chính là cấu trúc tinh thể và hoạt

tính của bề mặt: Hoạt tính của bề mặt thể hiện đầu tiên khi tiếp xúc với môi trường là

sự hấp phụ. Ngược lại, sự hấp phụ, tuỳ theo bản chất của nguyên tố hấp phụ và nền,

lại tác động trở lại làm biến đổi hoạt tính của bề mặt mà ta sẽ đề cập sau đây:

Người ta phân quá trình hấp phụ ra nhiều giai đoạn khác nhau: thiết lập lại cấu trúc

bề mặt, tạo ra các hợp chất hai chiều ổn định, thoát khỏi sự đối xứng của nền.

Hấp phụ gây nhiều tác động khác nhau lên bề mặt kim loại: thay đổi công thoát

electron (toả nhiệt ion), phát quang (photo electrique). Công này giảm khi hấp phụ

các cation (VD Cs+ lên W) và tăng khi hấp phụ các anion (O, S và các loại

halogen)


Hấp phụ làm biến đổi cấu trúc bề mặt, tạo nên các mặt nhỏ, các đường rạch do

hình thành một số pha không ổn định và có thể làm đảo lộn cân bằng trên bề mặt,

ví dụ đôi khi hấp phụ oxy lên Ag ở 9000 C.

Các nguyên tử hấp phụ trên bề mặt có thể làm thay đổi khả năng bám dính, hệ số

ma sát (hệ số ma sát của W giảm đi hai lần nhờ hấp phụ một bán lớp oxy) của bề mặt.

Một ứng dụng thực tiễn quan trọng là tạo khả năng tự bôi trơn của bề mặt và chống

dính, chống bò khi làm việc nhờ tập trung các tạp chất S, P trên bề mặt.

Hấp phụ làm thay đổi hoạt tính bề mặt, hấp phụ một số nguyên tố có thể làm ức

chế bề mặt thép trong môi trường nitơ

Quan điểm về cấu trúc của vật liệu ở vùng lân cận bề mặt không hoàn toàn thống

nhất nhau (H1.2):

(H1.2.a): Từ ngoài vào bề mặt gồm các lớp: hấp phụ vật lý, màng hữu cơ, hấp

phụ hoá học, vùng mất tác động hoá học, vùng mất tác động vật lý và kim loại nền.

Sự hình thành các lớp trong cấu trúc tự nhiên của bề mặt: Các phần tử ở lớp hấp

phụ vật lý nằm ở ngoài cùng phải khuếch tán qua một màng mỏng hữu cơ trên bề mặt

để tiếp cận bề mặt vật rắn. Khi đã đi qua màng hữu cơ, các nguyên tử hấp phụ và các

nguyên tử nền sẽ tương tác với nhau tạo thành một lớp hấp phụ hoá học. Lớp này là

một màn chắn hữu hiệu làm giảm tác động hoá học và vật lý của môi trường lên vật

rắn.

H1.2 . Cấu trúc của vật liệu ở vùng lân cận bề mặt

- (H1.2.b): Cấu trúc của bề mặt được xét tỉ mỉ hơn. Các phần tử hấp phụ vật lý

nằm phía ngoài cùng, trước khi đi qua màng hữu cơ, chúng tập trung lại, biến đổi cho

hoạt tính lớn hơn để có đủ điều kiện xuyên qua màng hữu cơ, ta nói chúng chuyển

sang dạng hấp phụ hoá học. Trong môi trường khí quyển, nguyên tố hấp phụ có mặt

đầu tiên và có hoạt tính lớn nhất thường là oxy, cho nên bề mặt vật rắn luôn có một

lớp oxyt tự nhiên. Phía trong lớp oxyt tự nhiên là lớp kim loại bị biến cứng bề mặt do


các dạng gia công cơ khí để lại và trong cùng là lớp tinh thể hình trụ và vùng tinh thể

thô to ở tâm thỏi đúc ban đầu.

1.1.6. Cấu trúc và sự hình thành cấu trúc lớp bề mặt

1 Sự hình thành cấu trúc lớp phủ

Lớp phủ bề mặt hình thành do quá trình khuếch tán, nên cấu trúc của lớp phủ do

đặc điểm của quá trình khuếch tán quyết định. Trong xử lý tạo lớp phủ, hai dạng

khuếch tán thường gặp: khuếch tán bề mặt và khuếch tán thể tích.

- Khuếch tán bề mặt tạo nên lớp phủ có cấu trúc tinh thể phát triển theo phương

cung cấp nguyên tử chất phủ, thường là pháp tuyến với bề mặt chi tiết, do đó ta có cấu

trúc tinh thể hình trụ.

- Khuếch tán thể tích tạo cho tinh thể lớp phủ phát triển theo mọi phương do đó có

cấu trúc tinh thể đồng trục.

H1.3. Sự hình thành cấu trúc của lớp phủ phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

Sự hình thành lớp phủ là do khuếch tán mà khuếch tán trong lớp phủ lại liên quan

mật thiết đến nhiệt độ chảy của lớp phủ Tf. Do đó, ta phải xét ảnh hưởng của nhiệt độ

thông qua tỷ số T/Tf. Trên H1.3 ta thấy cấu trúc của lớp phủ gồm ba vùng:

- Vùng1, với T/Tf < 0,3 (đối với vật liệu ceramic T/Tf < 0,26), ở nhiệt độ thấp,

khuếch tán bề mặt xảy ra rất chậm còn khuếch tán thể tích thì hầu như không xảy ra.

Kết quả là lớp phủ có cấu trúc tinh thể dạng sợi rất nhỏ, có đặc điểm textua. Trong lớp

phủ có rất nhiều lỗ xốp và khuyết tật mạng tinh thể. Cơ tính của lớp phủ rất thấp.

Trong vùng 1 ta nhận thấy hai vùng nhỏ: vùng nhiệt độ thấp T/Tf < 0,1 rất nhiều

xốp và tính chất rất xấu, vùng T có 0,1 = T/Tf < 0,3, có độ xốp nhỏ hơn, cơ tính cao

hơn, thích hợp cho bề mặt làm việc có sử dụng kỹ thuật tự bôi trơn.

- Vùng 2, với 0,3 = T/Tf 0,45, trong khoảng nhiệt độ này, khuếch tán bề mặt

xảy ra khá mạnh, khuếch tán thể tích vẫn hầu như không xảy ra. Cấu trúc của lớp phủ

do đó là các tinh thể hình trụ nhỏ xít chặt, có đặc điểm textua, có cơ tính cao.

- Vùng 3, có T/Tf > 0,45, trong vùng này cả khuếch tán bề mặt và khuếch tán thể

tích đều xảy ra mạnh. Lớp phủ có cấu trúc tinh thể hạt đồng trục, kích thước lớn, ít


khuyết tật mạng. Do phát triển ưu tiên theo phương cung cấp nguyên tử chất phủ nên

cấu trúc của lớp phủ luôn có dạng textua.., cơ tính của lớp phủ không cao như vùng 2.

Cấu trúc của lớp phủ còn chịu ảnh hưởng của cấu trúc vật liệu nền và phương cấp

nguyên tử chất phủ (H1.4). Cấu trúc của lớp phủ trên mặt phân cách tiếp xúc với vật

liệu nền thì giống với vật liệu nền, do đó, nếu nền có cấu trúc hạt đồng trục thì lớp phủ

dễ kết tinh hạt đồng trục. Tuy nhiên, tuỳ theo điều kiện cung cấp nguyên tử chất phủ,

sự phát triển của tinh thể lớp phủ sẽ thay đổi.

- Nếu dòng nguyên tử pháp tuyến với bề mặt chi tiết thì tinh thể lớp phủ sẽ tiếp tục

phát triển theo phương pháp tuyến và ta có cấu trúc textua hoàn chỉnh.

- Nếu dòng nguyên tử chất phủ tới bề mặt theo phương xiên (góc tới a với bề mặt)

thì tinh thể lớp phủ sẽ nghiêng theo phương dòng nguyên tử tới (H1.4a), song vì còn

chịu ảnh hưởng của nền cho nên góc nghiêng nhỏ hơn.

- Trường hợp dòng nguyên tử chuyển đến bề mặt theo dòng xoáy hoặc chi tiết

quay trong quá trình phủ thì tinh thể lớp phủ sẽ phát triển theo đường xoáy, xoắn lại

với nhau (H1.4b.) do đó chất lượng lớp phủ sẽ tốt hơn.

Hướng cấp vật liệu phủ Dòng chất phủ

a) b)

H1.4. Sự hình thành cấu trúc của lớp phủ phụ thuộc vào phương thức cung cấp chất phủ

a- dòng vật liệu phủ hợp góc a với bề mặt, b- dòng xoáy hoặc chi tiết quay khi phủ

2 Sự hình thành tổ chức của lớp thấm (TH-TNC)

Để tạo lớp thấm, người ta đặt chi tiết vào môi trường đặc biệt (có thể ở trạng thái

khí, lỏng hoặc hỗn hợp bột rắn) có khả năng phân hoá ra nguyên tử hoạt của nguyên

tố cần thấm vào ở nhiệt độ thích hợp. Sự hình thành các pha mới và tổ chức tế vi của

lớp thấm phụ thuộc vào giản đồ pha, khả năng khuếch tán của các nguyên tố thấm,

tương tác giữa chúng với nhau và với vật liệu nền. Sự phân bố nồng độ của nguyên tố

thấm A lên B phụ thuộc vào giản đồ pha trình bầy trên H1.5. Ngoài ra khi thấm một

nguyên tố lên bề mặt một hợp kim (ví dụ hợp kim hai nguyên Fe - C) do tương tác lẫn

nhau giữa khuếch tán của cacbon có sẵn trong thép và nguyên tố thấm nên có sự phân

bố lại nồng độ cacbon trong mẫu. Tuỳ thuộc vào đặc điểm tương tác, nồng độ cacbon

có thể tăng lên hoặc giảm đi ở lớp bề mặt do đó hình thành vùng cực đại hoặc cực tiểu


ở phía bên trong.

H1.5. Sự phân bố nguyên tố thấm A theo chiều sâu lớp thấm X

1.2. Thực chất, đặc điểm và phân loại các dạng hỏng chi tiết

1.2.1. Các dạng hư hỏng thường gặp

Hư hỏng do vận hành là nguyên nhân chủ yếu gây nên các hư hỏng máy. Hư hỏng do

vận hμnh được chia ra làm 3 nhóm chính :

• Hư hỏng do mòn ( mòn đều, mòn không đều sinh ra ô van và độ côn, các vết xước

nhỏ và các vết xây xát. Dạng hư hỏng này có liên quan với ma sát.)

• Hư hỏng cơ học ( nứt, thủng, xước thμnh rảnh, tróc, gẫy, biến dạng do tác dụng cơ

học gây nên cong, vênh, xoắn, ...

• Hư hỏng hoá nhiệt : ăn mòn, bị rổ, bị biến dạng do nhiệt độ,...

Nguyên nhân hư hỏng được phân ra:

Hư hỏng do chế tạo, hư hỏng do vận hành và hư hỏng do chất lượng vật liệu, ...

Hư hỏng do vận hành là nguyên nhân chủ yếu gây nên các hư hỏng máy. Hư hỏng

do vận hμnh được chia ra lμm 3 nhóm chính :

• Hư hỏng do mòn ( mòn đều, mòn không đều sinh ra ô van và độ côn, các vết

xước nhỏ và các vết xây xát. Dạng hư hỏng này có liên quan với ma sát.)

• Hư hỏng cơ học ( nứt, thủng, xước thμnh rảnh, tróc, gẫy, biến dạng do tác dụng

cơ học gây nên cong, vênh, xoắn, ...

• Hư hỏng hoá nhiệt : ăn mòn, bị rổ, bị biến dạng do nhiệt độ,...

1.2.2 Khái niệm về mài mòn và ăn mòn

Các giai đoạn làm việc của máy

Giai đoạn chạy thử không tải (chạy rà hay chạy rodda): cho máy chạy ở trạng thái

chưa mang tải.

Giai đoạn chạy thử có tải theo các mức độ khác nhau: chạy thử non tải, chạy thử

đầy tải, chạy thử quá tải an toàn,

Giai đoạn công tác với tuổi thọ bình thường ứng với quá trình máy làm việc với tải

trọng đã định.


Giai đoạn hư hỏng cần sửa chữa và phục hồi các chi tiết máy để phục hồi khả năng

làm việc và kéo dài tuổi thọ của máy.

Sự hư hỏng của các chi tiết máy khi chế tạo, lắp ráp, vận hành sửa chữa, có thể

xảy ra các hư hỏng từng phần hay toàn bộ chi tiết. Thông thường hư hỏng xảy ra trên

các bề mặt làm việc, bề mặt tiếp xúc.

Sự mài mòn bề mặt

a/ Khái niệm sự mài mòn bề mặt

Khi chế tạo các bề mặt kỹ thuật (bề mặt chi tiết máy) phải tôn trọng các vấn đề

sau:

Những yêu cầu về chất lượng trên quan điểm hình học được trình bày trên bản vẽ

kết cấu (kích thước, độ nhấp nhô, độ bóng...).

Những yêu cầu về chất lượng trên quan điểm về khả nămg làm việc của lớp bề mặt

chi tiết đối với tải trọng khi chi tiết làm việc trong điều kiện của nó.

Trong kỹ thuật mỗi tải trọng đều dẫn đến tác hại làm hư hỏng bề mặt chi tiết (sự

mài mòn của chi tiết).

Vậy: sự mài mòn của bề mặt chi tiết là sự thay đổi không mong muốn của lớp bề

mặt các vật thể rắn của các chi tiết máy.

Các chi tiết máy có thể mòn do tác dụng chia cắt bằng lực cơ học của các phần tử

rắn từ bề mặt chi tiết (các hạt mài) hoặc cũng có thể do các khuết tật về lý hoá của lớp

bề mặt. Trường hợp đặc biệt là sự kết hợp của cả hai hiện tượng trên.

Đặc trưng cho quá trình phá hỏng cơ học được gọi là sự mài mòn.

Đặc trưng cho sự tác dụng hoá lý, gọi là sự ăn mòn - sự gỉ (trình bày ở phần sau)

Sự mài mòn của bề mặt chi tiết có liên quan đến tác dụng cơ học. Đây là dạng hư

hỏng do ma sát sinh ra gây nên sự hao mòn vật liệu trên bề mặt các chi tiết máy. Các

giai đoạn mài mòn được biểu thị như (H1.6).

Dưới tác dụng cơ học, các nhấp nhô tế vi của bề mặt trượt sẽ dần dần bị giảm.

Dạng mài mòn (mòn cơ học) thường xuất hiện trên các bề mặt khô tiếp xúc có

chuyển động tương đối với nhau, đặc biệt các bề mặt lắp ghép quá chặt, ma sát lớn, ...

Sự mài mòn cơ học không những xuất hiện khi có chuyển động của kim loại trên

kim loại mà còn do các chất phi kim loại chuyển động trên nó.

H1.6. Sơ đồ các giai đoạn mài mòn cơ học


I - Giai đoạn bắt đầu mài mòn (khi máy bắt đầu làm việc)

II - Giai đoạn mài mòn đã bão hoà (xảy ra mài mòn khi máy làm việc bình

thường).

III - Giai đoạn mài mòn phát triển nhanh (mài mòn do sự cố, mài mòn đã phát

triển đến mức phải loại bỏ chi tiết.

b, Các dạng hư hỏng về mài mòn

Trong thực tế có nhiều dạng hư hỏng về mài mòn, có những đặc điểm khác nhau.

Theo B.I. Kotexki có thể chia mòn thành các loại sau:

1/- Mòn do ôxy hoá

Là do hậu quả của sự khuếch tán ôxy do lớp bề mặt kim loại bị biến dạng.

Sự khuếch tán đó đã tạo nên trong lớp bề mặt của kim loại dung dịch đặc của

các ôxyt sắt nằm trong sắt như FeO, Fe3O4, Fe2O3

Trong quá trình mòn, đồng thời có hai quá trình diễn biến sau:

Một quá trình đặc trưng cho tác dụng cơ học, biểu thị như sự mòn của

lớp bề mặt;

Một quá trình đặc trưng cho quá trình hoá lý, đó là sự khuếch tán ôxy

vào các phần tử kim loại.

Sự mòn này thường thấy ở các ổ trượt, các trục khuỷu, bánh răng, …

2/- Sự mài mòn do nhiệt

Khi hai chi tiết chuyển động tương đối với nhau sẽ dẫn đến có ma sát ở bề mặt tiếp

xúc. Khi tốc độ chuyển động lớn, áp lực riêng lớn, ma sát đó sẽ làm xuất hiện nhiệt ở

các phần tử bề mặt. Do vậy lớp bề mặt sẽ mềm ra, dẫn đến xé rách chúng do có sự

dính nhau. Trong những trường hợp đặc biệt dẫn đến sự chảy lỏng kim loại của các bề

mặt (khi cháy). Sự mòn này thường thấy ở các bộ truyền răng chịu tải, các trục cơ, đặc

biệt ở dụng cụ cắt gọt, ...

3/- Sự mòn do sự mài

Sự mòn này sinh ra do tác dụng của các phần tử mài (hạt mài). Các hạt mài này

nằm ở giữa các bề mặt tiếp xúc. Chúng có thể từ môi trường ngoài xâm nhập vào, có

thể là những phần tử kim loại tự do của bề mặt những hạt cứng khác, ... Hạt mài cứng

này dính vào kim loại và gây nên hiện tượng cắt các lớp bề mặt.

Độ lớn của sự mòn này phụ thuộc vào loại, kích thước các hạt mài, tốc độ, áp

lực riêng và tính chất cơ lý của vật liệu chi tiết.

Sự mòn này thường thấy ở các máy móc, thiết bị làm việc ở môi trường bụi

bẩn, các thiết bị nghiền, ...

4/- Sự mòn rỗ (pitting)


Sự mòn này xảy ra khi có ma sát lăn. Khi các chi tiết trượt, chịu tải thì chúng

làm các bề mặt cơ sở bị biến dạng tế vi do tác dụng của áp lực riêng lớn, đồng thời

kèm theo hiện tượng hoá bền kim loại, do vậy xuất hiện nội ứng suất. Các ứng suất

này được trải ra trong chi tiết hoặc trên toàn bộ bề mặt lăn của chi tiết, chúng được lặp

đi lặp lại theo chu kỳ của tải trọng sẽ gây ra sự mỏi, làm phá hỏng lớp bề mặt.

Mòn do mỏi biểu hiện như các khe nứt tế vi, các khe nứt này thường nghiêng

một góc rất nhỏ với bề mặt ma sát và sẽ phát triển thành các hố sâu (hố rỗ), thường

gặp ở những bề mặt độ bóng thấp hoặc không đồng đều. Dạng mòn này thường xảy ra

khi có ma sát lăn, trên bề mặt của ổ lăn và ổ trượt, trên bề mặt của bánh răng,...

Đặc trưng cho mòn rỗ là trong quá trình mòn xảy ra có kèm theo sự mòn do

ôxy hoá, sự mòn này phát triển trong các lớp bề mặt.

Cả hai hiện tượng mòn này đồng thời xảy ra, ở những vị trí nhất định của bề

mặt.

Quá trình fretting được đặc trưng

• Bởi sự có mặt của các chuyển vị nhỏ (bắt đầu có trị số lớn hơn khoảng cách giữa các

nguyên tử;

• Bởi sự đặc tính động của tải trọng;

• Bởi sự ô xy hoá trong không khí làm tạo ra các sản phẩm bị ăn mòn;

• Một số nhà khoa học còn cho rằng quá trình fretting còn do tróc gây nên thể hiện rõ

nhất ở những chỗ tiếp xúc.

• Là hiện tượng phá huỷ bề mặt do tróc, gỉ do sự ôxy hoá động, xảy ra do tổng hợp

của nhiều yếu tố: ma sát, áp lực, độ dịch chuyển bề mặt tiếp xúc nhỏ, nhất lμ ở điều

kiện vận tốc (v) lớn, áp lực cao (p), nhiệt độ (t0) cao. Muốn giảm hiện t−ợng nμy ta

cần giảm vận tốc (v), áp lực (p), nhiệt độ (To).

5/- Sự mòn do xói mòn kim loại (do tác dụng của môi trường các dòng chảy).

Là sự phá huỷ các bề mặt do lực tác dụng va đập và lặp lại nhiều lần hoặc thời

gian kéo dài, áp lực lớn của dòng chất lỏng, dòng khí, dòng chuyển động của bột mài,

sự phóng điện hoặc chùm tia năng lượng... chúng làm quá trình mòn do ma sát phức

tạp.

+ Sự phá huỷ bề mặt do ăn mòn kim loại:

Ăn mòn là sự phá huỷ kim loại do tương tác hoá học, điện hoá hoặc sinh hoá của kim

loại với môi trường. Quá trình ăn mòn kèm theo sự ô xy hoá bề mặt kim loại để tạo

thμnh hợp chất hoá học của kim loại (oxit, hydroxit, cacbonat,...).

+ Sự phá huỷ bề mặt do ăn mòn điện : Sự phá hỏng bề mặt do tác dụng phóng điện

khi có dòng điện đi qua : cổ góp, chổi than, các cơ cấu đóng và ngắt điện,...


Nguyên nhân của mài mòn

a/ Nguyên nhân do vận hành :

- Thiếu sự tuân thủ các yêu cầu và điều kiện về kỹ thuật khi vận hành

- Bôi trơn không đảm bảo, điều kiện bôi trơn không tốt, quá hạn thay dầu mở,

- Do các chất bẩn tích tụ, hay do sản phẩm mài mòn lẫn trong dầu mỡ gây nên.

- Lắp ghép không chuẩn nên mối ghép không đều gây mất cân bằng,...

- Do vận hành trong khi máy đã quá tải;

- Không thường xuyên kiểm tra bảo dưỡng máy, không phát hiện các sự cố

hỏng hóc máy, không sửa chữa kịp thời.

- Do các hỏng hóc khi vận hành như: bị va chạm, ... trong quá trình làm việc.

- Quá giới hạn thời gian vận hành cho phép mà vẫn tiếp tục sử dụng.

b/ Nguyên nhân do ma sát :

- Độ nhám của bề mặt tiếp xúc khi làm việc;

- Bụi của môi trường dính bám vào bề mặt chi tiết nơi luôn tiếp xúc nhau;

- Hạt mài, các phần tử kim loại bị mài mòn rơi rớt lại.

c/ Nguyên nhân do chế độ tải trọng thay đổi

- Do tải trọng khi làm việc thay đổi tĩnh.

- Do tải trọng khi làm việc thay đổi động.

d/ Nguyên nhân khác :

- Nhiệt độ của môi trường bên ngoài và nhiệt độ làm việc.

- Do nhiệt độ tự sinh ra, làm biến đổi cơ, lý, hoá tính của chi tiết;

- Mức độ cơ khí hoá, tự động kiểm tra và hiệu chỉnh các chế độ làm việc cũng

có ảnh hưởng nhất định đến hư hỏng,...

Dấu hiệu mài mòn

Do những âm thanh phát ra khi gõ vào chi tiết, (VD khi kiểm tra bánh xe và

các chi tiết khác của xe lửa,... )

Âm thanh phát ra khi máy chạy(máy chạy êm thì tốt, máy chạy có phát ra âm

thanh khác thường thì cần xem xét).

Độ rung động, dao động của máy, độ rơ của các bộ phận máy;

Khe hở tăng, xuất hiện các sản phẩm bị mài mòn.

Các biểu hiện ra ngoài : nứt, công vênh, ...

Hình dạng chi tiết bị biến dạng

Nhiệt độ tăng không bình thường,

Tốc độ dịch chuyển của cơ cấu không đều,

Rò dầu, rò khí, ...


1.2.3 Ăn mòn kim loại

a/ Khái niệm về ăn mòn kim loại

Ăn mòn kim loại (gỉ) là hiện tượng tự ăn mòn và phá huỷ bề mặt dần dần của các

vật liệu kim loại do tác dụng hoá học, điện hoá, môi trường xung quanh. Sự ăn mòn

đầu tiên xuất hiện từ bề mật bên ngoài rồi đi vào phía trong của vật.

VD: đối với kim loại chứa sắt thì sự ăn mòn (gỉ) thể hiện rõ nhất.

Sự phá huỷ bề mặt do ăn mòn kim loại (gỉ) gây ra một lượng hao phí kim loại

đáng kể, ảnh hưởng lớn tới nền kinh tế quốc dân. Sự hao phí này được xác định bằng

lượng kim loại mất ở dưới dạng các hợp chất không cần thiết, làm giảm sức bền của

các chi tiết, kết cấu, dẫn đến giảm tính chất công việc tiếp tục. Ngoài ra nó còn làm

cho hình thức bên ngoài xấu đi.

Công tác chống ăn mòn là một vấn đề rất quan trọng, nếu kết quả bảo vệ ăn mòn

tốt bao nhiêu thì càng kéo dài tuổi thọ của sản phẩm, thiết bị bấy nhiêu.

b/ Phân loại ăn mòn

Một số kim loại như vàng, platin, bạc ở trong thiên nhiên không bị tác dụng của môi

trường, chúng có khả năng chống ăn mòn tốt. Những kim loại chế tạo ra từ quặng bằng

quá trình luyện kim (như sắt) dễ dàng tác dụng với môi trường ngoài để tạo ra hợp chất

hoá học.

Như vậy ăn mòn kim loại là một quá trình xảy ra tự phát mà trong đó kim loại bị

biến đổi thành dạng hợp chất hoá học (gọi là sản phẩm gỉ).

Khả nămg chống ăn mòn của kim loại không chỉ phụ thuộc vào loại kim loại mà

yếu tố quan trọng hơn là môi trường ăn mòn.

Sự ăn mòn kim loại có nhiều dạng khác nhau, vì vậy có nhiều cách phân loại:

Theo cơ cấu bên trong của ăn mòn: ăn mòn hoá học; ăn mòn điện hoá.

Theo dạng bên ngoài: ăn mòn hoàn toàn bề mặt, bộ phận hay từng chỗ

Theo các nhân tố gây ra ăn mòn: do tải trọng cơ học, do dòng đện lạ

Theo môi trường: Tuỳ theo môi trường người ta chia ra :

- Ăn mòn trong khí : ôxy, khí sunfuarơ, khí H2S,...

- Ăn mòn trong không khí : Ăn mòn trong không khí ướt, ăn mòn trong không khí

ẩm, ăn mòn trong không khí khô.

- Ăn mòn trong đất.

- Ăn mòn trong chất lỏng (kiềm, axit, muối,...)

Phân loại độ chịu ăn mòn của vật liệu theo xếp theo bảng sau


Bảng 1 - 1

Nhóm chịu ăn

mòn

Chỉ số ăn mòn sâumm/năm Thang

Cực kỳ bền < 0,001 1

Rất bền 0,001 - 0,005

0,005 - 0,010

2

3

Bền 0,01 - 0,05

0,05 - 0,10

4

5

Khá bền 0,1 - 0,5

0,5 - 1,0

6

7

Kém bền 1,0 - 5,0

5 - 10

8

9

Không bền Lớn hơn 10 10

Đa số kim loại đều bị ăn mòn (bị gỉ) khi tiếp xúc với môi trường, một số rất ít bị gỉ

hạn chế hoặc lớp gỉ có khả năng tự bảo vệ lấy nó. Khả năng phát sinh ăn mòn phụ

thuộc nhiều yếu tố: loại kim loại, tính chất môi trường, nhiệt độ, thời gian, áp lực.

VD:

Mg: bị gỉ nhanh trong không khí, nhưng không gỉ trong môi trường nước biển

Al: có khả năng chống gỉ ở môi trường không khí, nhưng dễ bị phá huỷ ở môi

trường kiềm.

Cr: chống gỉ đối với axít vô cơ nhưng dễ gỉ trong axit hữu cơ ( axit axetíc, H2S...)

Thép Cr - Ni: Có khả năng chịu được môi trường axit chua…

Zn ( kẽm): Chống gỉ tốt môi trường nước lạnh, nhưng ở nhiệt độ lớn hơn 60 độ

(T060

0) thì dễ bị gỉ.

Cấu trúc của gỉ cũng khác nhau: gỉ vùng, gỉ bề mặt, gỉ ngầm, gỉ tự bong, gỉ vững

bền...

Hình 1.7. Các dạng ăn mòn bề mặt

a/ ăn mòn đều, b/ ăn mòn không đều,

c/ ăn mòn lựa chọn, d/ ăn mòn giữa các tinh thể.


Với ăn mòn hoá học

Do môi trường mà kim loại tiếp xúc, có nhiều yếu tố (nước ẩm, 02, N2, sunfít...)

gây ra các phản ứng hoá học hay liên kết hoá học.

ăn mòn hoá học là sự ăn mòn kim loại do tác dụng đơn thuần của phản ứng hoá

học giữa vật liệu kim loại với môi trường xung quanh có chứa chất xâm thực (O2, S2,

Cl2,...) Hay nói cách khác là quá trình ăn mòn hoá học xảy ra trong môi trường khí và

trong các môi trường các chất không điện ly dạng lỏng (chủ yếu là ăn mòn các thiết

bị, ống dẫn các nhiên liệu lỏng lẫn các hợp chất sunfua,... Các chất không điện ly:

Brôm lỏng, lưu huỳnh nóng chảy, dung môi hữu cơ như benzen, nhiên liệu lỏng : dầu

hoả, xăng, dầu khoáng...

VD1 :

- Lưu huỳnh nóng chảy: phá huỷ mạnh với Cu, Sn, Pb ; thép các bon và Ti phá

huỷ chậm.

- Ăn mòn do không khí chủ yếu là do quá trình ôxy hoá kim loại ở nhiệt độ cao,

VD2:

→ Hiện tượng ôxy hoá của thép và gang

O2 + Fe FeO + O2 Fe3O4 + O2 Fe2O3

→ Hiện tượng mất các bon của thép và gang :

Fe3C + 1/2 O2 = 3Fe + CO

Fe3C + CO2 = 3 Fe + 2 CO

Fe3C + H2O = 3 Fe + CO + H2

Mất các bon sẽ làm giảm độ cứng, độ chịu mài mòn và giảm giới hạn đàn hồi.

Nhôm (Al) là nguyên tố hợp kim tốt nhất dùng để tăng độ bền của gang và thép

nhằm chống lại sự mất các bon. Sau đó là Cr, W, Mn có khả năng yếu hơn.

Al và Cr có lớp ôxyt chặt, có khả năng ngăn cản quá trình xâm nhập của môi

trường khí, còn các nguyên tố W, Mn chỉ có tác dụng ngăn cản quá trình khuyếch tán

của các bon ra ngoài bề mặt.

Hiện tượng mất các bon do hydro gọi là hiện tượng dòn hydro :

Fe3C + 2 H2 = 3Fe + CH4

Phản ứng này làm giảm lượng các bon, tạo ra khí CH4 làm phá huỷ mối liên kết

trong kim loại.

Fe + H2 = Fe + H2O

Hơi nước trong phản ứng này thoát ra cũng làm phá huỷ liên kết trong kim loại.

Sự ăn mòn của khí hydro đối với đồng thường xảy ra ở nhiệt độ > 400 oC :

Cu + O2 => Cu2O

Trong môi trường hydro thì đồng ôxyt bị khử :


Cu2O + H2 = 2 Cu + H2O

Hơi nước thoát ra qua đường biên giới hạt làm phá huỷ mối liên kết trong kim loại,

làm giảm độ bền và gây nên những vết nứt nhỏ.

Sự ăn mòn của khí sunfuarơ (SO2) đối với đồng :

6Cu + SO2 = 2 Cu2O + Cu2S

ở nhiệt độ cao : 3 Ni + SO2 = NiS + 2 NiO

NiS tạo thành hợp chất Ni - Ni2S2 có nhiệt độ nóng chảy thấp (khoảng 625 oC) các

hợp chất này nằm ở vùng tinh giới hạt làm phá vở mối liên kết và làm giảm độ bền

nhiệt.

Các nhóm kim loại khác nhau thì khả năng bị ăn mòn hoá học cũng khác nhau.

Khả năng bị ăn mòn hoá học của một số chất

Đường (1): Tốc độ ăn mòn hoá học không

đổi; chiều dày lớp gỉ tăng tuyến tính theo

thời gian.

Đường (2): Quá trình ăn mòn xảy ra chậm

hơn.

Đường (3), (4): Quá trình ôxy hoá xảy ra rất

nhanh nhưng tạo nên lớp ôxyt rất bền vững;

tốc độ ôxy hoá hầu như không tăng theo thời

gian

Hình 1.8 Đồ thị biểu diễn tốc độ ăn

mòn của một số loại vật liệu

Với ăn mòn điện hoá

Là quá trình xảy ra khi kim loại tiếp xúc với môi trường điện phân tức là môi

trường dẫn điện (chú ý: dung dịch chất điện ly còn gọi là chất điện giải).

Ăn mòn điện hoá là sự ăn mòn do phản ứng điện hoá xảy ra ở 2 vùng khác nhau

trên bề mặt kim loại. Quá trình ăn mòn điện hoá có phát sinh dòng điện tử chuyển

động trong kim loại và dòng các ion chuyển động trong dung dịch điện ly theo một

hướng nhất định từ vùng điện cực này đến vùng điện cực khác của kim loại.

Như vậy bản chất gây ăn mòn điện hoá là do các vipin xuất hiện trên bề mặt tiếp

xúc, cường độ và tốc độ ăn mòn điện hoá xảy ra mãnh liệt hơn nhiều so với ăn mòn

hoá học. Để hiểu rõ bản chất của ăn mòn điện hoá ta cần tìm hiểu hiện tượng

hiđrathoá.

- Chất điện ly mạnh: HCl, HNO3, H2SO4 loãng, các bazơ: NaOH,... (trừ NH4OH),

các muối NaCl,

- Chất điện ly yếu: H2SO4 đặc, axit hữu cơ, các muôi bazơ, nước nguyên chất H2O.


Quá trình ăn mòn điện hoá là do khả năng của ion kim loại tách khỏi bề mặt

của nó và chuyển vào dung dịch. Sự di chuyển đó đòi hỏi phải có một năng lượng để

kéo ion kim loại ra khỏi mạng lưới của nó ở bề mặt tiết xúc và chuyển vào dung dịch

điện ly. Đối với các kim loại khác nhau thì khả năng này cũng khác nhau.

Ăn mòn điện hoá bao gồm 3 quá trình cơ bản : Quá trình anốt, quá trình catốt

và quá trình dẫn điện.

1. Quá trình anôt (xảy ra trên dương cực) là quá trình oxy hoá. Ion kim loại chuyển

vào dung dịch và giải phóng điện tử.

2. Quá trình catốt (quá trình xảy ra trên cực âm) là quá trình khử điện hoá. Các chất

ôxy hoá nhận điện tử do kim loại bị ăn mòn.

3. Quá trình dẫn điện: các điện tử kim loại bị ăn mòn giải phóng sẽ di chuyển từ anốt

tới catốt, còn các ion dịch chuyển trong dung dịch.

Như vậy trong quá trình ăn mòn điện hoá, kim loại hoạt động như 1 pin ta gọi là

pin ăn mòn cục bộ (hay vi pin).

1.3. Phân loại các phương pháp công nghệ phục hồi và xử lý bề mặt chi tiết

-Phương pháp phục hồi bằng công nghệ hàn đắp:

+ Hàn đắp bằng phương pháp hàn hồ quang tay

+ Hàn đắp bằng phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc

+ Hàn đắp bằng phương pháp hàn trong môi trường khí bảo vệ

+ Hàn đắp hồ quang rung

+ Hàn đắp Plasma

- - Phương pháp phun phủ phục hồi bề mặt

o + Phương pháp phun khí cháy

o + Phương pháp phun hồ quang điện

o + Phương pháp phun hồ quang Plasma


Chƣơng 2

CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP KIM LOẠI

2.1. Các tính chất chung trong kỹ thuật hàn đắp

2.1.1 Khái niệm, đặc điểm và ứng dụng

a) Khái niệm

Hàn đắp là một quá trình đem phủ lên bề mặt chi tiết một lớp kim loại nhằm thay

đổi kích thước, hình dáng và tính chất của bề mặt bằng các phương pháp hàn khác

nhau.

Hàn đắp có thể dùng để phục hồi các chi tiết bị mài mòn, hoặc bị hư hỏng như gãy,

vỡ, nứt, v.v... do đã qua thời gian làm việc như cổ trục khuỷu, bánh xe lửa, khuôn

dập, dao cắt nóng. Sử dụng hàn đắp để phục hồi các chi tiết máy là một phương pháp

rẻ tiền mà khả năng làm việc của chi tiết không thua kém chi tiết mới bao nhiêu.

Ngoài ra phục hồi bằng hàn đắp còn có thể cải thiện được tính chất cơ lý của chi tiết

làm tăng tuổi thọ của nó.

Hàn đắp cũng có thể sử dụng để chế tạo chi tiết mới. Dùng hàn đắp để tạo nên một

lớp bimetal với các tính chất đặc biệt hoặc tạo ra một lớp kim loại có những khả năng

về chịu mài mòn, tăng ma sát...

Vật liệu hàn đắp có thể là thép các bon, thép chịu mài mòn, thép có tính chất đặc

biệt như chịu nhiệt, độ cứng cao, bền nhiệt, chịu axít ...

b) Đặc điểm chung của phương pháp hàn phục hồi

Thông thường hay dùng phương pháp hàn hồ quang điện (xoay chiều,

1 chiều, chỉnh lưu ) hàn khí, hàn trong các môi

trường bảo vệ ( dưới lớp thuốc hay CO2, Ar, He

..).

Ưu điểm:

Công nghệ đơn giản, năng suất cao và

chất lượng đảm bảo;

Tiết kiệm kim loại, nó phục hồi được các

chi tiết hỏng bề mặt;

Có tính cơ động cao;

Dễ tự động hoá,

Nhược điểm:

Dễ gây biến dạng, nứt (thô đại và tế vi ), ứng suất nhiệt và một số khuyết tật

khác ...

Cấu trúc và tổ chức mối hàn không đồng nhất, dể gây ra các khuyết tật vùng

gần mối hàn.


1 Đối với chi tiết bằng thép: Với hàm lượng các bon thấp thì kim loại có tính hàn

tốt, ngược lại, thép có hàm lượng các bon và nguyên tố hợp kim càng cao thì càng khó

hàn.

2 Kỹ thuật và công nghệ hàn: Phải chọn và tính toán đúng chế độ hàn ( I, chọn que

hàn, kim loại và hợp kim bổ sung, dây hàn, thuốc hàn, chuẩn bị mép hàn, kỹ thuật

hàn, kiểm tra chất lượng)...

3 Đối với chi tiết bằng gang: Dùng que hàn gang hay que hàn. Đối với vật liệu gang

có chiều dày 3mm thường dùng hàn khí O2- C2H2 ngọn lửa có dư C2H2 (có tác

dụng khử oxy và bổ sung các bon cho gang do bị cháy), dùng cả thuốc hàn gang. Tuy

vậy hàn gang bằng điện cũng hay dùng và yêu cầu khắt khe hơn hàn thép. Thông

thường hàn gang đều phải nung sơ bộ từ 250 - 5000C hoặc 500-700

0C. Có trường hợp

dùng thuốc hàn gang đặc biệt thì không cần nung nóng. Trong trường hợp khó hàn

phải dùng thuốc hàn gang, que hàn đồng thau hoặc que hàn hợp kim mônen, có thể vát

mép mối hàn và tạo vít cấy bằng chốt thép . Khi hàn có thể nung hoặc hàn nguội tuỳ

theo phương pháp chọn và công nghệ hàn và loại vật liệu hàn. Vật hàn phải làm nguội

từ từ (cùng với lò, vùi trong cát khô... ). Hiện nay có que hàn gang để hàn phục hồi mà

không cần phải nung nóng khi hàn.

4 Để năng suất và chất lượng cao dùng hàn tự động hoặc bán tự động dưới lớp thuốc

hay trong môi trường khí bảo vệ ( CO2, argông Ar...) Hàn trong môi trường thuốc bảo

vệ cho phép dùng dây hàn trần, tổn thất nhiệt và tổn thất vật liệu hàn ít, chất lượng

mối hàn tốt ...

5 Có thể sử dụng nhiều phương pháp hàn khác để hàn phục hồi

2.1.2 Tính chất của kim loại lớp đắp

Các phương pháp HK hóa

1 Hợp kim hoá mối hàn đắp thông qua dây hàn, dải kim loại đắp hoặc lớp thuốc hàn

thường.

2 Dùng dây hàn bột, dải kim loại với thuốc hàn thường

3 Dùng dây hàn thường với thuốc hàn hợp kim

4 Dùng dây hàn và thuốc hàn thường nhưng cho thêm vật liệu hợp kim trong quá

trình hàn.

Chọn vật liệu hàn đắp:

Phân loại nhóm kim loại đắp theo trường ĐH quốc tế hàn như sau :

Thành phần kim loại lớp đắp phụ thuộc thành phần kim loại đắp


Bảng 2-1

Dạng thép Ký hiệu

C Mn Cr Ni W V Mo Co HB

HK thấp A 0,4 0,5-

0,3

0-3 0-3 - - 0-1 - 40

HK thấp B 0,4 0,5-

0,3

0-5 0-3 - - 0-1 - 60

Austenit Mn

cao

C 0,5-

1,2

11-

16

0-1 0-3 - - 0-1 - 50

Austenit Cr-Ni D 0,3 1-8 13-

30

5-25 - - - - 40

Thép Cr E 0,2-2 0,3-

1,5

5-30 0-5 0-0,5 0-0,5 0-1 - 45

Thép gió F 0,6-

1,5

0,5 4-6 - 1,5-

18

0-3 0-

10

0-15 62

Gang Cr cao G 1,5-5 0-6 25-

35

0-4 0-5 0-1 0-3 0-5 60

Thép chịu nhiệt

Cr-W

H 0,2-

0,5

1,0 1-5 0-5 1-10 0,15-

1,5

0-4 - 45

Hợp kim Mo

+Cr+W

N 0,7-3 0,4 25-

33

0-3 3-25 - 0-3 30-

70

40

HK Ni với

Cr+B

Q

a

1,0 - 8-18 65-

85

- - - 1-

1,5

55

HK Ni với Mo Q

b

0,12

- 0-18 60-

80

0-20 0,2-

0,6

8-

35

0-

2,5

200

HK các bit P 3 2,0 - - 45 - - -

67

Có các nhóm chính sau :

A. Thép các bon hay thép hợp kim thấp có thành phần các bon < 0,4 %

C < 0,25 % thép cacbon thấp

C = 0,25- 0,60 % thép các bon trung bình

C > 0,60 % thép cacbon cao

B. Thép hợp kim thấp có thành phần các bon > 0,4 % ;

C . Thép hợp kim nhóm mangan ;

D. Nhóm crôm niken Cr-Ni


E . Cr - Ni

F. Thép gió

G . Nhóm gang crôm cao

H. Nhóm thép Cr - W chịu nhiệt

N . Nhóm Coban + Cr + W

Qa . Nhóm hợp kim ni ken (Ni) với Cr và Mo )

Qb . Nhóm Ni với Mo

P . Nhóm hợp kim cacbít

Tuỳ theo loại vật liệu mà ta chọn các nhóm vật liệu và công nghệ hàn cho thích

hợp.

Một số đặc tính của các loại nhóm thép theo bảng 5-1

Độ chịu mài mòn tương đối là tỷ số khối lượng mẫu chuẩn bị mất mát trên

khối lượng kim loại bị mài mòn của mẫu thử từ kim loại đắp.

Sơ đồ biểu diễn độ mài mòn tương đối của các nhóm vật liệu hàn đắp

A B C, D E F G H N Qa P

Dạng kim loại đắp phân loại theo trường ĐH Quốc tế Hàn

Ví dụ :

- Để hàn đắp các bề mặt bị mòn (do ma sát) của chi tiết người ta sử dụng que

hàn Liên xô dạng có thuốc bọc với thành phần hợp kim.

- Đắp các chi tiết không yêu cầu độ cứng cao (HB300-400): dùng que hàn O3H-

300, O3H-350, O3H 400, Y340 ...

- Các chi tiết yêu cầu độ cứng cao : EHX-25, O3H-250 có lõi là CB-08 và

CB-15 với đường kính que hàn D như sau:

D = 3mm, chiều dày thuốc bọc : 0,80 - 1,00 mm

D = 4mm, chiều dày thuốc bọc: 1,25 - 1,35 mm

D = 5mm; chiều dày thuốc bọc: 1,45 - 1,55 mm

4

3

2

1


Hàn đắp một số chi tiết điển hình.

1 Hàn trục thép rèn và trục đúc từ thép C45, C50, C55 và một số thép hợp kim như

50Cr2, 60CrMn, 50CrNi ... Thường hàn đắp nhiều lần sau thời hạn đã sử dụng.

2 Hàn trục cán rỗng : Thường sử dụng dây hàn bột, chiều sâu của mối hàn khoảng 5

mm.

3 Hàn đắp trục cán thép định hình với 2 mục đích phục hồi kích thước, tăng thời

gian làm việc và khả năng chịu mài mòn. Nếu chỉ phục hồi kích thước thì dùng vật

liệu hàn thường, cùng loại vật liệu với trục; khi cần tăng độ chịu mài mòn hoặc thời

gian làm việc thì cần dùng dây hàn đắp hợp kim dạng Hn-30XCA Chế độ hàn có thể

chọn như sau : nung nóng 25-150 oC để tránh trục bị nứt có loại vật liệu cần nung

nóng đến 350-400 oC. Sau khi hàn xong thường phải tiến hành ram ở nhiệt độ 520-

540 oC và làm nguội cùng lò để khử ứng suất.

4 Hàn đắp cánh tuốc bin : Do vật liệu cánh tuốc bin được chế tạo từ thép hợp kim

thấp nên có thể sử dụng dây hàn hay dải vật liệu 1X18H9T (1Cr18Ni9Ti) hàn dưới

lớp thuốc dạng AH-26 ; để tránh bị nứt trong thuốc hàn cho thêm 80-85 % Al + 15-

20% Fe. (chiều rộng dải kim loại đắp B=70 mm, S= 0,6-0,8 mm, I=700-750A, U=30-

34 V, Vh = 9,6 m/h)

5 Hàn đắp trục tàu có đường kính khoảng 200 mm thì cần nung ở nhiệt độ 200-300 oC.

Tính hàn của kim loại và hợp kim.

Tính hàn của kim loại là khả năng cho phép nối liền các chi tiết thoả mãn độ

bền và các yêu cầu khác (chống rỉ, ăn mòn ...) bằng phương pháp hàn gọi là tính hàn

của kim loại hay hợp kim. Các bon và thành phần hoá học của các nguyên tố hợp kim

có ảnh hưởng lớn đến tính hàn cuả hợp kim .

Để đánh giá tính hàn của thép người ta đưa ra khái niệm lượng cac bon tương

đương C tđ .

C tđ = % C + % Mn /6 + %Cr /5 +%V/ 5+%Mo/4+ %Ni /15 + %Cu/13 +

%P/2

Trong đó, 2 thành phần Cu và P chỉ có tính toán khi Cu > 0,5%; P >

0,05%

nếu Ctđ < 0, 45% gọi là thép có tính hàn tốt, Ctđ > 0,45 % thì có thể có các

loại sau đây :

- Thép có tính hàn thoả mãn , tức là khi hàn có thể đạt được chất lượng mối hàn

cao nhưng phải tuân theo một số quy trình công nghệ phụ ( ví dụ nung nóng sơ

bộ, nhiệt luyện ...) .


- Thép có tính hàn hạn chế , cần có thêm các quá trình công nghệ phụ như nung

nóng sơ bộ , sử dụng thuốc hàn đặc biệt, nhiệt luyện sau khi hàn. Chất lượng

mối hàn bình thường .

- Thép có tính hàn kém, chất lượng mối hàn không thể đạt chất lượng cao mặc

dù phải sử dụng các quá trình công nghệ phụ. Ngày nay do nền khoa học và kỹ

thuật hàn đã phát triển mạnh nên tất cả các kim loại thép có thể hàn được đảm

bảo chất lượng nhiệt độ nung nóng sơ bộ có thể tính theo công thức của

Sefariana ( CEAPốAHA)


2.2. Phân loại các phƣơng pháp hàn đắp

Thông thường hay dùng phương pháp hàn hồ quang tay, hàn khí, hàn trong các

môi trường bảo vệ, hàn dưới lớp thuốc ngoài ra còn sử dụng các phương pháp hàn đặc

biệt khác.

2.2.1. Hàn đắp hồ quang tay bằng que hàn

Nguyên lý đặc điểm chung hàn hồ quang tay

Hàn hồ quang tay là phương pháp hàn nóng chẩy, các thao tác trong quá trình

hàn như (châm và duy chùy hồ quang cháy ổ định, đảm bảo chiều rộng mối hàn cũng

như dịch chuyển hồ quang để hàn hết chiều dài đường hàn) đều thực hiện bằng tay

người thợ hàn

H.2.1 Nguyên lý hàn hồ quang tay

Đặc điểm:

Có thể hàn được ở mọi vị trí trong không gian;

Hàn được các chi tiết to, nhỏ hoạc đơn giản, phức tạp khác nhau;

Có thể thực hiện trong các môi trường khác nhau(dưới nước, trong chân không…);

Thiết bị hàn và trang bị gá lắp hàn đơn giản, dễ thao tác;

Năng suất thấp do cường dộ dòng hàn bị hạn chế;

Hình dạng kích thước mối hàn không đều do Vh thay đổi, phụ thuộc vào tay nghề

công nhân;

Thành phần hóa học mối hàn không đều do thành phần kim loại cơ bản tham gia

vào mối hàn thay đổi;

Chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt liên kết hàn tương đối lớn do nguồn nhiệt có

nhiệt độ cao và tóc độ hàn nhỏ;

Điều kiện làm việc của thự hàn không được tốt vì ảnh hưởng của cường độ sáng và

nhiệt của hồ quang;


Mặc dù còn nhiều hạn chế nhưng những chi tiết có chiều dầy nhỏ và trung bình

cho đến nay, trong công nghệ phục hồi chi tiết, phương pháp hàn đắp bằng hàn hồ

quang tay vẫn là phương pháp thích hợp nhất.

2.2.1.1 Chọn que hàn đắp

Que hàn đắp phải đảm bảo nhận được lớp kim loại đắp chịu mài mòn cao, dễ

gia công cơ khí, có tính chất công nghệ tốt và rẻ.

Việc chọn kiểu, loại que hàn phụ thuộc vào thành phần hoá học của kim loại

cơ bản, điều kiện gia công nhiệt và chế độ làm việc của chi tiết phục hồi, lượng mòn,

phương pháp gia công cơ khí và hàng loạt các yếu tố khác.

Tính chất kim loại đắp chủ yếu được xác định bằng thành phần hoá học của nó và

việc gia công nhiệt. Thành phần hóa học có thể điều chỉnh nhờ các nguyên tố hợp kim

chứa trong thuốc bọc và lõi que hàn. Những nguyên tố hợp kim rẻ tiền nhất và thường

gặp nhất là C, Mn, Cr, Si, Ti, Bo và các nguyên tố khác. Chúng làm tăng độ cứng, tính

chịu mòn của kim loại khi làm việc trong điều kiện ma sát.

• Ảnh hưởng của Mn và Cr đối với độ cứng của thép (biểu đồ H2.1):

- Thép với hàm lượng 8 – 27% Mn sẽ đạt độ cứng cao khoảng 50HRC, tăng độ

chịu mòn lên 4-5 lần. Thép C thấp với lượng Mn như vậy sẽ tăng độ chịu mài mòn lên

tới 4-5 lần. Tính chống mài mòn của các chi tiết máy bằng thép Mn cao sẽ tăng rõ rệt

khi chúng bị lèn, ép, đặc biệt là va đập mạnh như hàm nhai đá, răng gàu ngoạm, …

- Thép chứa 6-8% Cr độ cứng cao hơn 50HRC và độ dai va đập khoảng 0,5

kGm/cm2, điều đó cho thấy không sử dụng que hàn Cr cao vào việc hàn đắp các chi

tiết làm việc trong điều kiện va đập.

H2.2. ảnh hưởng của Mn (a) và Cr (b) đối với độ cứng của thép

Các nguyên tố hợp kim như W, Mo, V, Co, Ni, … nên sử dụng hạn chế trong việc

hàn đắp các chi tiết làm việc trong điều kiện đặc biệt.

• Khi xác định lượng các nguyên tố hợp kim cần thiết cho kim loại lớp đắp cần

chú rằng một phần các nguyên tố đó sẽ bị bay hơi trong quá trình hồ quang cháy.

Nhiệt độ bay hơi của các nguyên tố hợp kim thường thấp hơn nhiệt độ bay hơi của Fe.

Ví dụ nhiệt độ bay hơi của Mn là 19000C, của Cr là 2200

0C, trong khi đó của Fe là

30000C. Đồng thời các nguyên tố hợp kim bay hơi dễ và nhanh hơn Fe, chúng bị oxy


hoá dễ hơn. Bởi vậy kim loại lỏng của vũng hàn và hồ quang cần được bảo vệ tốt khỏi

tác dụng của ôxy không khí.

• Điều kiện đặt ra cho vật liệu hàn đắp là nhiệt độ nóng chảy của chúng không

được quá cao. Khi nhiệt độ nóng chảy của vật liệu hàn đắp thấp thì lượng nhiệt toả ra

được giảm đi đáng kể, kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn ít hơn, ứng suất trong và

biến dạng giảm.

• Việc hàn đắp các chi tiết bằng thép C hay thép hợp kim thấp mà không cần

gia công nhiệt sau khi hàn có thể thực hiện bằng bất cứ loại que hàn nào đảm bảo độ

cứng và độ chịu mòn cần thiết của lớp hàn đắp. Nếu chi tiết phục hồi sau khi hàn đắp

phải gia công nhiệt thì việc hàn đắp phải tiến hành bằng que hàn sao cho kim loại đắp

có thể gia công nhiệt được mà vẫn đảm bảo độ cứng và các tính chất cơ học khác.

• Công nghệ hàn đắp phải thực hiện bằng que hàn chứa ít O2, H2 và khí ẩm. Vì

một trong những nguyên nhân chính của sự tạo thành rỗ trong kim loại hàn đắp là sự

có mặt của O2, H2 ở vũng hàn. Que hàn thuốc bọc nhóm bazơ và ít H2 làm giảm nguy

cơ xuất hiện các vết nứt lạnh và nóng. ẩm cũng là nguyên nhân gây ra rỗ khí, nên

trước khi hàn phải sấy que hàn cẩn thận. Đối với que hàn thuốc vỏ bọc nhóm bazơ

phải nung hoặc sấy ở nhiệt độ 300 – 3500C trong 30 – 60 phút; que hàn vỏ bọc

inmenit hoặc ruti ở 70 –1000C, thời gian như trên.

2.2.1.2 Kỹ thuật hàn đắp bằng que hàn thép

a. Hàn đắp thép c thấp và thép hợp kim thấp

Thép các bon thấp và thép hợp kim thấp thuộc nhóm thép dễ hàn, do đó việc

hàn đắp được thực hiện bằng phương pháp thông thường và trong điều kiện bình

thường.

• Que hàn để nghiêng với mặt phẳng đứng một góc 15 – 200. Nếu giữ que hàn ở vị

trí thẳng đứng thì kim loại lỏng và xỉ sẽ chảy ra phía vật liệu cơ bản chưa nóng chảy

làm giảm độ ngấu của mối hàn.

• Có thể hàn theo hướng thẳng (H.a) hoặc theo hình chữ chi (H.b).

Khi hàn theo hướng thẳng, chiều rộng mối hàn bằng 1,5d. Còn hàn theo chữ chi

phụ thuộc biên độ dao động ngang của que hàn.

- Phương pháp hàn theo hướng thẳng ít sử dụng, vì: vũng hàn bé, đông đặc nhanh,

các khí khó thoát khỏi kim loại mối hàn nên mối hàn thường bị rỗ.

- Thường sử dụng phương pháp hàn theo chữ chi, tại các điểm 1,2,3,4… tốc độ

dịch chuyển que hàn giảm, tạo điều kiện cho mối hàn ngấu tốt, các chất khí kịp thoát

khỏi mối hàn.

Chất lượng hàn đắp nhận được tốt nhất khi chiều rộng mối hàn bằng 2,5d. Để đạt

điều đó biên độ dao động ngang của que hàn bằng 1,5 – 2d.


H2.3. Phương pháp dịch chuyển que hàn

a. Dịch chuyển thẳng; b. Dịch chuyển theo hình chữ chi

• Hàn đắp thực hiện với chiều dài hồ quang ngắn, các đường hàn phải xếp lần lượt

sao cho đường sau ôm lấy1/3 – 1/4 chiều rộng đường trước, chiều cao lớp đắp phải

cộng thêm lượng dư gia công cơ khí từ 2 – 3 mm, để có thể lấy hết các rãnh ngăn cách

giữa các đường hàn.

• Quan hệ giữa chiều dày lớp kim loại hàn đắp, đường kính que hàn (d) và cường

độ dòng điện hàn như sau:

Bảng 2-2

Chiều dày lớp đắp Tới 1,5 1,5 – 5 >5

Đường kính que hàn 3 4 – 5 5 – 6

Số lớp đắp, lớp 1-2 2-4 ≥2

Cường độ dòng điện 80 – 100 130 – 180 180 – 240

• Trong hàn đắp chỗ hàn không ngấu và đặc biệt miệng hàn rất có hại. Tại đó

thường phát sinh ra các vết nứt và phát triển rộng vào kim loại cơ bản. Bởi vậy ở

miệng hàn và chỗ không ngấu tuỳ điều kiện, phải dùng các vật phụ để loại trừ (dùng

bản, vòng, ống lót …). Miệng hàn nhất thiết không để trên bề mặt của kim loại cơ

bản.

• Sau mỗi đường hàn phải đánh sạch xỉ và kim loại bắn tung téo ra rồi mới tiếp tục

hàn đường tiếp theo.

• Sự chuyển tiếp giữa lớp hàn đắp và kim loại cơ bản phải đều và thoải để tránh

hiện tượng tập trung ứng suất.

2.2.1.3 Hàn đắp thép các bon trung bình và thép hợp kim trung bình

Sự có mặt của Cr, Ni, W, Mo, Mn, Si và các nguyên tố khác trong thép, cũng như

lượng C tăng lên đều làm giảm tính hàn của thép.

• Hiện tượng nguy hiểm nhất và rất dễ xảy ra là sự tạo thành các vết nứt nóng và

lạnh tại vùng ảnh hưởng nhiệt. Để ngăn ngừa nguy cơ tạo vết nứt phải xác định chế độ

hàn và làm nguội thích hợp ở vùng lân cận mối hàn.


• Trong hàn đắp để xảy ra hiện tượng tôi là rất nguy hiểm. Bởi vậy nên hàn bằng

dòng điện lớn, tốc độ hàn bé, đồng thời điện áp hồ quang hàn có thể tăng lên một ít để

có được hình dáng mối hàn (là tỷ số giữa chiều rộng và chiều sâu mối hàn) và một chế

độ nhiệt ít biến đổi.

• Cùng với việc điều chỉnh các thông số hàn ta có thể tác động vào tốc độ làm

nguội vùng chuyển tiếp bằng nung nóng trước và sau khi hàn. Việc nung nóng làm

giảm tốc độ nguội của kim loại vùng lân cận mối hàn ở nhiệt độ kém ổn định nhất của

austenit, kéo dài thời gian tồn tại của austenit trên điểm AC3, giảm tốc độ nguội ở

nhiệt độ dưới 3000C và tạo điều kiện cho H2 thoát khỏi kim loại đắp làm giảm điều

kiện phát sinh vết nứt ở mối hàn.

- Việc nung nóng phụ thuộc vào hàm lượng các bon đương lượng của thép. Theo J.

Pilatrich hàm lượng các bon đương lượng tính theo công thức sau:

Co = C + 213154556

PCuNiMoVCrMn

Đồng và phôtpho chỉ tính khi Cu > 0,5%, P > 0,05%. Hàm lượng các bon đương

lượng dùng để tính độ cứng Vicke theo công thức:

HV = 1200 Co – 260 (độ cứng nhỏ nhất)

HV = 1200 Co – 200 (độ cứng lớn nhất)

Bằng phương pháp thực nghiệm người ta xác định được rằng nếu độ cứng vùng

chuyển tiếp không vượt quá 350 HV thì không sợ nứt do đó không cần nung nóng.

- Nhiệt độ nung nóng phụ thuộc vào nhiệt độ chuyển biến của mactenxit. Thường

nhiệt độ nung nóng phải bằng hoặc lớn hơn nhiệt độ chuyển biến ban đầu của

mactenxit Ms.

Đối với mỗi loại thép, Ms có thể đọc trên giản đồ trạng thái, hoặc có thể sử dụng

công thức sau để xác định nhiệt độ chuyển biến:

Ms = 500 – 320C - 33Mn - 28Cr – 17Ni – 10 (Si + Mo + W) với hàm lượng

các nguyên tố tính bằng %.

Công thức trên được xây dựng trong điều kiện các nguyên tố hợp kim khi nung

tới nhiệt độ tương ứng đều nằm trong dung dịch austenit rắn. Thực tế do quá trình hàn

xảy ra rất nhanh nên một phần các nguyên tố không kịp chuyển vào dung dịch rắn, do

đó lượng các nguyên tố đó ở trong austenit sẽ nhỏ hơn. Bởi vậy nhiệt độ thực tế

chuyến biến ban đầu của mactenxit cao hơn nhiệt độ tính toán Ms bao nhiêu thì

austenit nhận được tại vùng chuyển tiếp càng kém đồng nhất bấy nhiêu.

• Khi hàn thép hợp kim không được sử dụng que hàn thuốc bọc nhóm axit có

chứa các oxyt Fe, Mn, Ti kim loại hàn đắp bằng que hàn loại này chứa nhiều rỗ khí


làm giảm độ bền và khả năng chống mòn. Trường hợp không có que hàn đắp đặc biệt

dùng vào việc hàn đắp thép hợp kim có thể dùng que hàn thuốc bọc nhóm bazơ Nga.

Ảnh hưởng của một số nguyên tố đến tính hàn.

- Mangan (Mn): khi hàm lượng < 1% không ảnh hưởng nhiều đến tính nhàn của thép

nhưng khi hàm lượng Mn > 1% tính hàn kém đi vì dễ bị nứt (tăng tính thấm tôi).

- Silic (Si): khi hàm lượng < 0,3% không ảnh hưởng nhiều đến tính hàn của thép nhưng

khi hàm lượng Si > 0,3% sẽ gây khó khăn cho quá trinh hàn vì tạo nên các loại ôxit

khó chảy và tăng tính chảy loãng.

- Crôm (Cr): ảnh hưởng xấu đến tính hàn của thép vì nó làm tăng sự ôxy hóa kim loại và

kết hợp với cacbon tạo thành cacbit (hợp chất hóa học), nâng cao độ cứngkim loại ở

vùng chuyển tiếp từ mối hàn đến kim loại cơ bản. Tuy nhiên nếu chọn được chế độ

hàn, vật liệu hàn và quy trinh công nghệ hàn hợp lý thì có thể hạn chế ảnh hưởng xấu

của nó đến tính hàn.

- Niken (Ni): có tác dụng làm nhỏ hạt kim loại và nâng cao tính dẻo của thép – ít ảnh

hưởng đến tính hàn của thép.

- Molipden (Mo): gây nhiều khó khăn cho quá trinh hàn như làm tăng khả năng nứt ngầm

trong mối hàn, vùng ảnh hưởng nhiệt lớn, dễ bị ôxy hóa và cháy mnạh trong quá trinh

hàn.

- Vonfram (W): làm tăng độ cứng và khả năng chịu nhiệt nhưng W làm cho tính hàn kém

đi vì nó thường bị ôxy hóa mạnh nên cần bảo vệ thật tốt trong quá trinh hàn.

- Vanadi (V) có ảnh hượng tương tự như Vonfram.

- Titan (Ti) và Niobi (Nb): chỉ tồn tại trong thép một lượng rất nhỏ ( < 1%) nên không

ảnh hưởng nhiều đến tính hàn của thép.

- Đồng (Cu): với hàm lượng nhỏ (0,3 – 0,8%) có tác dụng làm tăng độ bền, độ dẻo, độ

dai va đập và tính chống ăn mòn của thép nhưng ít ảnh hưởng đến tính hàn của thép.

- Lƣu huỳnh (S): thường gây hiện tượng bở nóng, nứt nóng còn Phôtpho (P) thường gây

hiện tượng giòn nguội, nứt nguội. Đó là những tạp chất có hại. Khi hàm lượng vượt

quá giới hạn cho phép, chúng có ảnh hưởng xấu đến tính hàn.

- Oxy (O2) trong thép thường ở dạng oxit làm giảm cơ tính và làm xấu tính hàn của thép.

- Nitơ (N2) trong thép tạo hợp chất hóa học (nitrit sắt) rất cứng, dòn, làm giảm tính dẻo

và gây khó khăn cho quá trinh hàn.

- Hydro (H2) là tạp chất có hại, sinh khí trong vũng hàn, gây nứt tế vi trong mối hàn và

gây khó khăn cho quá trình hàn.

2.2.2. Hàn đắp tự động dƣới lớp thuốc


H.2.4 Sơ đồ hàn tự động dưới lớp thuốc

1 - vật hàn

2 - Ray dẫn động xe hàn

3 - Xe hàn

4 - Cuộn dây hàn

5, 8 - Con lăn cấp dây hàn

6 - Phểu thuốc hàn

7 - Van điều chỉnh

9 - Máy hàn

10 - Dây điện

11 - Mối hàn

12-Tiếp điểm với dây hàn

2.2.2.1 Nguyên lý và phạm vi ứng dụng

Hàn tự động: là một quá trình hàn mà việc cấp dây hàn và di chuyển mỏ hàn theo

mối hàn được thực hiện hoàn toàn bằng máy.

Hàn tự động có thể được hàn trong các môi trường bảo vệ như hàn dưới lớp thuốc

hoặc hàn trong các môi trường khí bảo vệ.

1

2

3

4 5 6

7

8

9

10

11

12


Nguyên lý: Trong hàn đắp tự động dưới lớp thuốc hồ quang cháy giữa điện cực

kim loại (dây hàn) và kim loại cơ bản (chi tiết hàn đắp). Sự khác nhau cơ bản giữa hàn

đắp hồ quang tay và hàn đắp tự động là sự cơ khí hoá, tự động hoá quá trình hàn.

Quá trình hàn bắt đầu khi phát hồ quang. Vũng hàn được tạo thành sau khi hồ

quang phát sinh. Tại đây dây hàn, thuốc hàn và kim loại cơ bản nóng chảy. Đồng thời

dưới áp suất khí giữa kim loại và thuốc hàn tạo thành một màng kín bao bọc lấy hồ

quang và vũng hàn. Thành của màng này được tạo bởi thuốc hàn nóng chảy. Bởi vậy

quá trình nóng chảy xảy ra trong màng kín tách rời với không khí, ngoài ra nó còn

được phủ bẳng lớp thuốc nên bằng mắt thường không thể nhìn rõ lớp trong vũng hàn.

Trong quá trình hàn thuốc hàn được cung cấp liên tục và đều đặn xuống vũng hàn.

Thuốc nóng chảy tạo thành xỉ hàn. Phần thuốc không nóng chảy được thu lại và sử

H2.5. Sơ đồ nguyên lý (a) và các bộ phận chính (b) của máy hàn tự động

Phạm vi ứng dụng:

Phần lớn hàn đắp tự động dưới lớp thuốc dùng để phục hồi những chi tiết là các bề

mặt phẳng, mặt trụ các chi tiết lớn, như rãnh lăn của cầu xích, gờ bánh tỳ và bánh dẫn,

cổ trục khuỷu…

2.2.2.2 Kỹ thuật hàn

Hàn đắp mặt phẳng.

Thông thường chi tiết hàn đứng yên, còn đầu hàn đắp chuyển động thẳng trên chi

tiết. Sau mỗi đường hàn đầu hàn được đưa về vị trí ban đầu. Để hàn tiếp đường thứ


hai phải dịch đầu hàn theo phương chuyển động ngang một khoảng cách nhất định,

gọi là bước tiến của đường hàn. (H. a)

H2.6. Nguyên lý hàn đắp tự động mặt phẳng (a) và mặt tròn (b)

Hàn đắp tự động trên chi tiết hình trụ tròn.

Quá trình hàn đắp là phủ kín bề mặt của chi tiết bằng một đường hàn hình xoắn

xếp cạnh nhau. Đường xoắn nói trên được tạo thành từ hai chuyển động (H. b) kết

hợp: chuyển động quay tròn của bề mặt chi tiết quanh trục của nó và chuyển động tịnh

tiến của đầu hàn dọc theo vật hàn. Những chuyển động trên là chuyển động đều và

liên tục. Đương nhiên để quá trình hàn tiến hành được một cách tự động thì dây hàn

phải chuyển động liên tục và đều đặn để bảo vệ hồ quang.

• ưu điểm (so với hàn hồ quang tay):

- Có thể hợp kim hoá kim loại hàn đắp tới 30%, do đó cơ tính của lớp đắp được cải

thiện và tăng tính chống mòn của chi tiết sau khi khôi phục, việc hợp kim hoá mối hàn

thì rẻ hơn

- Năng suất hàn đắp tự động tăng lên rõ rệt

- Điều kiện lao động và chất lượng hàn đắp được cải thiện

- Điện năng và kim loại đắp giảm.

2.2.2.3 Hợp kim hoá mối hàn

Có thể thực hiện bằng 3 phương pháp: bằng dây hợp kim, bằng dây lõi thuốc và

bằng thuốc hàn gốm.

Hợp kim hoá mối hàn đắp bằng dây hợp kim là tốt nhất. Song không phải lúc nào

cũng thực hiện được, nhất là trong điều kiện công nghiệp luyện kim chưa phát triển,

chủng loại dây hợp kim hạn chế, trong khi chủng loại thép của các chi tiết hàn đắp lại

rất phức tạp. Trong điều kiện đó hợp kim hoá lớp đắp bằng thuốc hàn gốm dễ thực

hiện hơn cả.

Khi hợp kim hoá lớp đắp bằng dây hàn, cường độ dòng điện có ảnh hưởng rõ rệt

đến thành phần hoá học mối hàn.

`

b)

a)

s

chiè

u tin

h tié

n cu

a dà

u hà

n

s

chiè

u hà

n


Bảng 2-3. Ảnh hưởng của cường độ dòng điện đối với thành phần hóa học của kim

loại mối hàn đắp

Cường độ dòng điện

hàn (A)

Thành phần hóa học của kim loại lớp đắp %

C W Cr V

1000

900

800

0,43

0,47

0,50

9,8

11,3

12,4

1,50

1,88

2,4

0,71

0,83

0,98

Hợp kim hoá mối hàn bằng thuốc hàn

Thành phần hoá học mối hàn chịu ảnh hưởng của điện áp hồ quang mạnh hơn

cường độ dòng điện. Điện áp càng cao thì thuốc hàn càng chảy nhiều và quá trình hợp

kim hoá càng mạnh. (bảng 2- 3).

Bảng 2-4. Ảnh hưởng của cường độ và điện áp đến thành phần hoá học

lớp đắp (thành phần thuốc hàn: 65%AH- 348A + 25% FeCr)

Đường kính

dây hàn

Cườngđộ

dòng điện (A)

Điện áp hồ

quang(V)

Thành phần hóa học lớp đắp, %

Cr Si Mn

2

300

22

30

40

5,22

8,01

12,48

1,28

1,78

2,08

1,21

1,43

1,82

5

625

30

40

50

4,45

9,12

16,20

0,78

1,35

3,02

0,50

0,95

2,30

Việc trộn các nguyên tố hợp kim với thuốc hàn tới một giới hạn nhất định không

làm giảm tính chất công nghệ của thuốc. Chất liên kết thường dùng là thuỷ tinh lỏng,

chiếm 10-15% trọng lượng thuốc. Sau khi trộn cần sấy và nung ở nhiệt độ 400 -

4500C trong 2 - 3h. Bằng thuốc hàn nói trên người ta đã phục hồi nhiều chi tiết máy có

độ cứng và thành phần hoá học khác nhau.

Để đảm bảo sự đồng nhất thành phần hoá học của kim loại lớp đắp thuốc hàn phải

được trộn thật đều, điều đó không phải lúc nào cũng có thể thực hiện được. Bởi vậy

tốt hơn hết nên dùng thuốc hàn gốm để điều chỉnh thành phần hợp kim của lớp hàn.

Hợp kim hoá của lớp đắp bằng thuốc hàn gốm có nhiều ưu điểm so với hợp kim

hoá bằng dây: dùng các nguyên tố hợp kim sẵn hơn, công nghệ sản xuất thuốc lại đơn

giản, dễ thực hiện; khi hàn đắp không cần dùng dây hợp kim đắt tiền mà chỉ dùng các

dây cacbon sẵn có và rẻ tiền.

• Ưu nhược điểm của hàn đắp tự động dưới lớp thuốc


ưu điểm:

- ít hao tốn kim loại, hệ số hàn đắp cao, tiết kiệm được kim loại que hàn.

- Hệ số mất mát nhiệt thấp do thuốc hàn không dẫn nhiệt và dẫn điện,

- Cho phép hàn với dòng điện cao nên tốc độ hàn lớn, năng suất hàn cao.

- Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ do thể tích nóng chảy(Vh) nhỏ.

- Chất lượng mối hàn cao; cơ tính tốt.

- Điều kiện lao động tốt do hồ quang kín.

- Cho phép cơ khí hoá và tự động hoá quá trình hàn.

Nhược điểm:

- Khó nhận được lớp đắp có độ chịu mòn cao do chiều sâu ngấu lớn và việc trộn

lẫn kim loại cơ bản và vật liệu bổ sung.

- Khó điều chỉnh hồ quang hàn trong quá trình hàn vì hồ quang hàn bị che kín bởi

lớp thuốc nên khi hàn những chi tiết phức tạp đòi hỏi thợ hàn phải có tay nghề cao.

- Hầu như lúc nào cũng phải gõ xỉ, việc này tương đối khó khăn khi hàn đắp

những chi tiết nhỏ; khi đó việc giữ được lớp thuốc có chiều dày cần thiết trên chi tiết

hàn đắp cũng rất khó. Nhược điểm này hạn chế khả năng phục hồi những chi tiết có

đường kính nhỏ hơn 50 mm.

- Do giá thành thuốc hàn cao, tiêu thụ lớn (thường bằng 1,3 - 1,4 lần trọng lượng

kim loại lớp hàn), do đó làm tăng giá thành sản phẩm phục hồi.

- Khó thực hiện các mối hàn có hình dạng và quỹ đạo hàn phức tạp.

- Giá thành thiết bị đắt.

- Yêu cầu khi gá lắp và chuẩn bị hàn khá công phu.

2.2.2.4 Vật liệu hàn

Vật liệu hàn đắp tự động dưới lớp thuốc bao gồm thuốc hàn và dây hàn.

Thuốc hàn nóng chảy

• Vai trò chủ yếu của thuốc hàn: là làm lớp màng cách lý học của vũng hàn khỏi

tác dụng của không khí, ổn định hồ quang, điều chỉnh thành phần hoá học của lớp hàn

đắp và tạo dáng mối hàn.

• Yêu cầu đối với thuốc hàn:

- Nhiệt độ nóng chảy của thuốc hàn nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại cơ

bản khoảng 200 - 300 oC.

- Thuốc hàn phải có độ ẩm thấp và độ bền cơ học nhất định.

- Thuốc hàn phải tạo điều kiện cho hồ quang dễ cháy và cháy ổn định.

- Thuốc hàn phải tạo điều kiện cho quá trình hình thành mối hàn tốt, đặc chắc,

không có rỗ khí, ngậm xỉ...


- Đảm bảo khử các tạp chất và thoát khí tốt; loại trừ các khuyết tật như rỗ khí,

ngậm xỉ, nứt vùng mối hàn.

- Hợp kim hoá mối hàn, đảm bảo cơ tính tốt

- Tạo màng mỏng bảo vệ và dễ dàng tách khỏi bề mặt mối hàn.

- Không sinh bụi và khí độc hại

- Giá thành hạ

• Phân loại thuốc hàn:

Thuốc hàn có dạng hạt hay bột. Thuốc hàn điện được phân ra :

Thuốc hàn nóng chảy; thuốc hàn bột (không nóng chảy: gốm ceramic, bột thiêu

kết ... bao gồm các chất khoáng thiên nhiên với fero hợp kim và thuỷ tinh nước).

+ Theo chức năng sử dụng:

- Thuốc cho hàn thép các bon và hợp kim thấp.

- Thuốc hàn thép hợp kim.

- Thuốc hàn hợp kim màu.

+ Theo thành phần các chất:

- Loại có SiO2 cao ( 40 - 50 % SiO2 )

- Loại SiO2 thấp ( < 35 % SiO2 )

- Loại không có SiO2.

- Loại không chứa oxy

- Xỷ có tính bazơ : CaO, MgO, FeO ...

- Xỷ có tính axit TiO2, SiO2...

- Xỷ trung tính chứa Cl2 , F2.

Tác dụng làm màng cách của thuốc phụ thuộc vào kích thước hạt và cấu trúc vật lý

của chúng. Cấu trúc hạt càng mịn và kích thước hạt càng nhỏ thì khả năng bảo vệ của

màng cách càng tăng. Chiều dày của lớp thuốc phủ trên mặt kim loại cũng ảnh hưởng

đến khả năng làm màng cách của nó. Chiều dày cần thiết của thuốc hàn ứng với

cường độ dòng điện hàn khác nhau (bảng2-4).

Bảng 2-5. Chiều dày thuốc trên mặt vật hàn

Cường độ dòng điện hàn(A) 130 - 200 200 - 400 400 - 800 800 - 1200

Chiều dày thuốc (mm) 20 - 25 25 - 35 35 - 45 45 - 60

VD: Thuốc TA.St.1 dùng để hàn đắp thép cacbon và thép hợp kim thấp. Thuốc

TA.St.3 dùng để hàn đắp các chi tiết thép cacbon thấp. Thuốc TA.St.9 hàn đắp với

kiểu 35 CrMnSiA phục hồi trục cán, bánh cần cẩu, bánh tàu hoả…Thuốc

TA.St.11CrNi dùng để hàn đắp các chi tiết thép cacbon và thép hợp kim của máy điện

và hoá học.


Ở Việt Nam thuốc hàn nóng chảy loại AH-348A của Liên Xô đó được Viện thiết

kế máy công nghiệp (Bộ Cơ khí và luyện kim) nghiên cứu và được Nhà máy và cơ

quan nghiên cứu công nghệ hàn đó dùng thuốc này để hàn và hàn đắp tự động. Thuốc

có tính công nghệ cơ bản giống thuốc AH-348A và mang nhón hiệu TH-36-42.

Thuốc hàn gốm

• Thuốc hàn gốm là hỗn hợp cơ học của các thành phần hợp kim hoá, oxy hoá,

biến tính và tạo xỉ, được tán nhỏ và liên kết với nhau bằng dung dịch nước thuỷ tinh.

Chất liên kết thường dùng nhất là silicat natri lỏng, tỷ trọng 1,3; chiếm 17 - 18% trọng

lượng phối liệu khô. Thành phần thuốc có thể là cacbonat, fero hợp kim, kim loại

tinh… với khối lượng cần thiết, không phụ thuộc vào độ hoà tan lẫn nhau của chúng.

Sử dụng thuốc gốm mở rộng được khả năng hợp kim hoá, oxy hoá và biến tính hoá

kim loại hàn đắp.

• Trong số nguyên tố hợp kim của thuốc người ta dùng ferocrôm, feromangan,

ferosilic, ferotitan, niken…Khi cần người ta còn cho thêm cacbon dưới dạng bột hoặc

than gỗ.

• Trong thành phần thuốc hàn có tới 50% các nguyên tố không bị oxy hoá, điều đó

có ảnh hưởng rất mạnh tới quá trình luyện kim của vũng hàn và cho phép điều chỉnh

thành phần hoá học của lớp hàn đắp trong phạm vi rộng. Điều này không thể thực

hiện được khi hàn đắp bằng thuốc nóng chảy, vì thuốc hàn nóng chảy chủ yếu bao

gồm các oxyt như: SiO2, CaO, MnO, Al2O3 .. .

• Để tạo xỉ tốt người ta cho vào thuốc hàn gốm các thành phần như đá vôi, fenspat,

florit, bioxyt titan, thạch anh. Xỉ hệ đá vôi cao hầu như không oxy hoá các nguyên tố

HợP KIM và tạo điều kiện khử lưu huỳnh khỏi kim loại nóng chảy của vũng hàn.

• Tuỳ theo mức độ hợp kim hoá lớp đắp thuốc hàn gốm được chia thành hai loại:

hợp kim hoá yếu và hợp kim hoá mạnh. Loại sau cho phép nhận kim loại lớp hàn đắp

hợp kim hoá cao khi dùng dây hàn thép cacbon bình thường.

• Nhiều chi tiết máy đưa vào phục hồi được chế tạo bằng thép hợp kim, chẳng hạn

dao cắt kim loại nóng, đầu máy búa rèn dập và nhiều chi tiết khác. Chúng đều làm

việc trong điều kiện giống nhau: chịu nén ép mạnh và thay đổi theo chu kỳ; nóng lạnh

theo chu kỳ; bề mặt làm việc bị mòn do gỉ…

Với các điều kiện làm việc khắt khe trên, lớp kim loại hàn đắp khi phục hồi các

chi tiết này cần đạt các yêu cầu quan trọng sau :

- Mối hàn có độ bền cao: có khả năng chống hiện tượng nứt nóng, hạn

chế tình trạng nứt khi hàn.

- Có độ dẻo cao ở nhiệt độ làm việc của chi tiết để có khả năng chống

hiện tượng nứt nóng, hạn chế tình trạng nứt khi hàn.


- Có khả năng ít biến đổi cấu trúc khi bị ram nhiều lần, giữ được tính chất

ban đầu trong quá trình làm việc.

- Có độ bám cao vào lớp kim loại cơ bản, tránh được bong, tróc khi làm

việc,…

Rõ ràng khó có thể tìm thấy trong thực tế một loại dây hàn hợp kim đảm bảo cho

lớp kim loại đắp có được đồng thời những yêu cầu kỹ thuật trên. Bởi vậy việc hợp

kim hoá lớp đắp bằng thuốc hàn gốc là phương pháp dễ thực hiện và rẻ tiền hơn cả.

Ngày nay người ta đã nghiên cứu được nhiều loại thuốc hàn gốm chuyên dùng cho

việc hàn đắp phục hồi từng chi tiết hoặc từng nhóm chi tiết có cùng điều kiện công

tác.

Dây hàn

Bề mặt mài mòn của các chi tiết máy người ta hàn đắp bằng dây thép cacbon, dây

thép hợp kim hoặc dây hàn đắp chuyên dùng. Lớp đắp hàn bằng dây cacbon không có

được độ chịu mòn cao. Để tăng độ chịu mòn phải hợp kim hoá lớp hàn đắp bằng dây

hợp kim, dây bột hoặc thuốc gốm. Khi chọn dây hàn cần chú ý đến thành phần hoá

học của kim loại cơ bản, đặc tính và dạng tải trọng của nó, nguyên nhân và lượng mài

mòn, môi trường làm việc và các yêu cầu đặt ra đối với chi tiết phục hồi. Lớp đắp

được hợp kim hoá bằng dây hợp kim có thành phần hoá học chính xác hơn. Vì thế hợp

kim hoá bằng cách này tuy đắt song vẫn được dùng phổ biến.

2.2.3. Hàn đắp tự động bằng dây hàn lõi bột

2.2.3.1 Bản chất và phạm vi ứng dụng

Là phương pháp hàn hồ quang điện trong đó thuốc hàn nằm trong các lõi kim loại,

khi hồ quang hình thành thuốc hàn nóng chảy hợp kim hoá mối hàn sau đó nổi lên tạo

thành xỉ.


Kim loại lớp đắp được hợp kim hoá bằng các nguyên tố chứa trong lõi dây hàn ở

dạng hỗn hợp cơ học. Thường thành phần hỗn hợp đó gồm những chất rẻ tiền và dễ

tìm.

Quá trình hàn đắp các chi tiết bằng dây bột có thể coi như quá trình hàn đắp bằng

dây thép cacbon và thép hợp kim dưới thuốc nóng chảy. Nó được dùng trong việc

phục hồi các chi tiết máy xây dựng và khai thác, như lưỡi gạt máy ủi, hàm nhai máy

nghiền đá, gờ trục cán, guồng xoắn máy xúc …

Ưu điểm chủ yếu: có phạm vi khá rộng, tiết kiệm được các nguyên tố hợp kim

đồng thời kim loại lớp hàn đắp có thể được hợp kim hoá tới 40%.

2.2.3.2 Vật liệu hàn đắp

Bao gồm: dây hàn và thuốc hàn

Dây hàn:

Dây bột được tạo bởi vỏ kim loại chứa đầy các nguyên tố hợp kim dưới dạng bột. Vỏ

kim loại làm từ thép, ở dạng băng cán nguội với chiều dày 0,5; 0,6; 0,65; 0,8; 1,0mm

và chiều rộng 14 hoặc 18mm. Băng không được lõm, cong xước, bề mặt không có gỉ,

dầu, mỡ. Mỗi cuộn băng có trọng lượng từ 50 đến 100kg.

Thuốc hàn:

Bột đơn giản nhất là phoi gang kim loại đắp bằng dây hàn loại này là thép chứa

1,3-1,7% C. Để tăng độ dai của kim loại hàn đắp cho thêm vào bột gang khoảng 20%

bột ferô Mn.

Để hợp kim hoá kim loại hàn đắp cho vào bột các chất như: ferô Mn cao chứa

70-80%Mn và 1,0-7,0%C, ferô Cr-C cao chứa khoảng 6,6-8,0%C và 65%Cr, ferô Ti-i

chứa 18%Ti, ferô bo chứa 5,5% bo, ferô V chứa 35%V và 0,75%C, ferô W chứa

70%W, bột sắt chứa 98%Fe.

Để tăng lượng C trong kim loại hàn đắp trộn bột graphit, silicflorua trong bột

tạo điều kiện giảm rỗ khí trong kim loại mối hàn khi hàn dưới thuốc thấp. Các thành

phần của bột phải tán nhỏ.

Thuốc hàn để hàn đắp bằng dây bột phải chứa ít xỉ và O2 . Liên xô dùng thuốc

AH-348A, AH-15M, AH-20, AH-26, AH- 60. Nếu dùng thuốc không thích hợp thì xỉ

khó bong, tạo hình mối hàn xấu và lớp đắpchứa nhiều xỉ.

c. Chế độ hàn đắp

Khi hàn đắp phần dẫn điện của dây bột là vỏ kim loại của nó và hồ quang cháy

giữa đầu mút vỏ kim loại và chi tiết hàn đắp. Lõi dây hàn cháy nhanh hơn vỏ, kết quả

đầu mút dây tạo thành một hình chóp từ vỏ. Hồ quang cũng có thể được tạo thành

giữa những giọt kim loại ở đầu mút dây hàn và vật hàn.


Hồ quang cháy ổn định khi mật độ dòng điện từ 75 – 100A/mm2 và tốc độ đẩy

dây hàn không đổi.

Chế độ hàn đắp tự động bằng dây bột phục hồi các chi tiết hình trụ bằng thép

các bon và thép hợp kim (bảng dưới)

Bảng 2-6. Chế độ hàn đắp bằng dây bột

Đường kính

chit iết(mm)

Đường kính

dây hàn(mm)

Dòng điện

hàn(A)

Điện áp hồ

quang(V)

Tốc độ

hàn (m/h)

Bước tiến

(mm/v)

55

100

3,0

3,0

180 – 220

240 – 300

25 – 26

26 – 27

14

28

4

4

Chế độ và công hàn đắp bằng dây bột cần được xác định cho từng chi tiết cụ thể,

thành phần hoá học của kim loại lớp đắp không chỉ chịu ảnh hưởng của dây hàn mà

còn của thuốc hàn và chế độ hàn đắp. Cùng một loại dây nhưng chế độ hàn sẽ thay đổi

khi ta hàn với những loại thuốc khác nhau, đồng thời thành phần hoá học của kim loại

lớp hàn đắp cũng khác nhau.

2.2.4. Hàn đắp tự động trong môi trƣờng khí bảo vệ

2.2.4.1 hàn MAG

a) Nguyên lý và đặc điểm

H2.7. Sơ đồ nguyên lý hàn đắp tự động trong khí bảo vệ

- Hồ quang cháy trong luồng khí bảo vệ. Khí bảo vệ đẩy không khí khỏi vùng hồ

quang cháy đồng thời bảo vệ kim loại loại lỏng khỏi oxy và nitơ của không khí. Trong

số các chất khí bảo vệ thường dùng khí trơ, khí hoạt tính hoặc hỗn hợp của chúng.

- Ngày nay sử dụng nhiều phương pháp hàn và hàn đắp trong khí bảo vệ, như:

hàn tay, hàn tự động và bán tự động bằng dây nóng chảy và không nóng chảy, hàn

một hồ quang hoặc nhiều hồ quang.


Hàn đắp tự động trong khí bảo vệ được sử dụng rộng rãi nhất. Nó thực hiện

được nhờ nhờ việc cung cấp dây hàn liên tục xuống vũng hàn; khí bảo vệ từ bình

chứa, truyền qua bầu dẫn khí bao bọc lấy tẩu hàn và xuống vùng hàn tạo thành một

hình chóp khí bao bọc lấy hồ quang.

- Để bảo vệ tốt, vòi phun khí cần có cấu tạo và hình dạng thích hợp. Cấu tạo

vòi phun phụ thuộc loại khí, bề mặt vật hàn và cấu tạo đầu hàn đắp. Ngoài ra nó còn

phụ thuộc vào khoảng cách giữa miệng vòi phun và bề mặt chi tiết, tốc độ hàn đắp và

tốc độ chuyển động của không khí tại vị trí hàn đắp, áp suất của khí bảo vệ. Tốc độ

hàn đắp càng lớn và không khí chuyển động càng mạnh thì luồng khí bảo vệ sẽ bị

lệch, do đó hiệu quả bảo vệ thấp.

- Hàn đắp trong khí bảo vệ cho phép cơ khí hoá và tự động hoá quá trình hàn

trong bất kỳ vị trí không gian nào thích hợp với bề mặt chi tiết hàn đắp, kể cả hàn trần.

Việc quan sát dễ dàng hồ quang và sự hình thành mối hàn cho phép sử dụng phương

pháp hàn đắp này để phục hồi những chi tiết phức tạp như khuôn dập. Thao tác hàn lại

đơn giản, không cần thiết các cơ cấu giữ thuốc và xỉ nóng chảy, chất lượng lớp kim

loại hàn đắp cao.

b) Khí bảo vệ và dây hàn

Khí bảo vệ

Thường dùng các loại khí: agôn, cacbonic, heli, nitơ và một số chất khí khác. Song

thường dùng nhiều nhất là agôn, cacbonic.

Agôn là khí trơ một nguyên tử, agôn tinh khiết không liên kết hoá học với kim

loại, không phụ thuộc vào nhiệt độ nung nóng.

Agôn dùng để hàn và hàn đắp các chi tiết thép không gỉ, chịu nhiệt và kim loại

loại màu. Khí nitơ và hyđrô xâm nhập vào vũng hàn thì kim loại hàn đắp sẽ bị rỗ. Bởi

vậy thường trộn vào agôn một lượng 5-10% hoặc 10-20% CO2. Trong hàn đắp bằng

điện cực nóng chảy thường dùng hỗn hợp agôn và cacbonic, lượng tiêu thụ khí agôn

sẽ giảm 5-6 lần.

Cacbonic là khí hoạt tính, dùng để hàn đắp các chi tiết máy bằng thép cacbon,

thép HợP KIM thấp và một số loại thép hợp kim trung bình. Cacbonic là khí rẻ, rẻ hơn

agôn 12 – 14 lần, sẵn và có hiệu quả khi hàn đắp.

Dây hàn

Để hàn đắp trong khí cacbonic thường dùng dây thép C và thép hợp kim đường

kính từ 0,5-2,5mm và dây bột đường kính 2,5-3mm. Dây hàn phải sạch, không bị gỉ.

Thành phần hoá học của dây hàn phải đảm bảo khả năng khử oxy của vũng

hàn, hợp kim hoá nó và nhận lớp kim loại hàn đắp bền chắc. Khi khí cacbonic quá ẩm

và chứa nhiều nitơ, và khí bảo vệ vùng hàn không tốt, chất khử oxy không đủ thì trong


bể hàn sẽ hình thành nhiều khí, cháy không kịp thoát khỏi vũng hàn và tạo rỗ khí

trong lớp hàn đắp. Người ta dùng Si, Mn làm các chất khử oxy khi hàn đắp các chi tiết

bằng thép C và thép hợp kim thấp.

Để hàn đắp trong môi trường khí trơ người ta dùng điện cực không nóng chảy

bằng W nguyên chất và thori – vonfram hoặc titan – vonfram. Hai loại đầu để hàn đắp

bằng nguồn xoay chiều; loại thứ ba để hàn đắp bằng nguồn điện một chiều cực thuận.

b) Chế độ và kỹ thuật hàn

Các yếu tố quan trọng của kỹ thuật hàn đắp trong khí bảo vệ CO2 là: loại dòng

điện và cực tính, mật độ dòng điện, điện áp hồ quang, đường kính dây hàn và tầm với

của nó, tốc độ hàn đắp, tốc độ đẩy dây hàn.

- Trong hàn đắp không thể nhận được chiều sâu ngấu lớn. Bởi vậy yếu tố cơ

bản là tính ổn định của hồ quang, năng suất hàn đắp và chất lượng công tác hàn đắp.

Để đảm bảo hồ quang ổn định nên chọn cường độ hàn theo các số liệu sau:

Đường kính dây

hàn(mm) 0,8 1,0 1,2 1,6 2,0 2,4

Cường độ dòng

hàn đắp(A) 60–150 80–180 90–270 120–350 200–500 250–600

- Trường hợp không muốn chiều sâu ngấu lớn nên sử dụng cường độ hàn nhỏ

với tốc độ đẩy dây nhỏ. Thay đổi cường độ hàn và tốc độ đẩy dây ảnh hưởng tới điện

áp hàn hồ quang. Điện áp hồ quang là yếu tố quang trọng của chế độ độ hàn đắp. Tăng

điện áp hàn hồ quang làm tăng chiều rộng mạch hàn đắp, tăng lượng kim loại mất mát

do bắn tung téo, bay hơi và oxy hoá; làm giảm chất lượng hàn đắp, mối hàn chứa rỗ

khí.

- Hàn đắp trong khi CO2 có nhiều ưu điểm, đặc biệt so với hàn đắp dưới lớp

thuốc khi phục hồi những chi tiết nhỏ. Nó cho phép hàn đắp những chi tiết có đường

kính tới 10 – 20 mm, trong khi hàn dưới lớp thuốc chỉ phục hồi những chi tiết đường

kính tới 45 – 50mm.

- Khi cần tăng độ cứng và độ chịu mòn của lớp đắp thường dùng dây hàn bột.

- Tầm với của điện cực ảnh hưởng đến tính ổn định của quá trình hàn đắp. Tầm

với điện cực lớn làm đầu dây hàn quá nóng và cháy mạnh. Tầm với điện cực nhỏ, quá

trình hàn khó thực hiện. Có thể chọn tầm với của điện cực theo các số liệu sau:

Đường kính dây

hàn(mm) 0,8 1,0 1,2 1,6 2,0 2,5

Tầm với điện

cực(mm) 6 - 12 7 - 13 8 - 15 13 - 20 15 - 25 15 - 30


- Khoảng cách từ miệng phun khí tới bề mặt chi tiết ảnh hưởng tới khả năng

bảo vệ kim loại lỏng khỏi tác dụng của không khí. Miệng phun khí quá gần thì dễ bị

cháy và bị vụn kim loại lấp kín lỗ phun; để quá xa thì quá trình bảo vệ sẽ bị phá hoại.

Thực nghiệm cho thấy: với đường kính dây 1,6 – 2,5mm cần giữ trong khoảng 15 –

20mm; lượng khí tiêu hao là 0,75 – 1,5m3/h và khi hàn đắp với dây 0,5 – 1,2mm csac

giá trị tương ứng là 7 – 12mm và 0,4 – 0,6m3/h.

- Để cải thiện khả năng bảo vệ của khí khi hàn đắp những chi tiết tròn, bề mặt

miệng phun khí cần có hình dạng thích hợp với mặt vật đắp.

- Khi hàn đắp chọn bước hàn sao cho đường hàn sau ôm lấy đường trước 1/3

chiều rộng mối hàn. Các chi tiết từ thép các bon cao và thép hợp kim cần nung nóng

trước khi hàn, đồng thời khí bảo vệ cũng được nung nóng tới nhiệt độ cao hơn. Khi

hàn đắp nhiêu lớp, đặc biệt các chi tiết nhỏ, chi tiết hàn có thể quá nóng (trên 500 –

6000) hồ quang mất ổn định và kim loại bắn tung téo. Trong trường hợp này cần giảm

đường kính dây hàn và cường độ hàn, đồng thời tăng lượng khí bảo vệ.

2.2.4.2 Hàn đắp hồ quang tay bằng điện cực không nóng chảy trong môi trƣờng

khí bảo bệ (TIG)

a) Nguyên lý và đặc điểm

Hàn TIG (Tungsten Inert Gas) là quá trình hàn bằng điện cực không

nóng chảy Vonfram trong môi trường khí trơ bảo vệ (khí trơ Ar, He hoặc Ar +

He) có tác dụng ngăn cản những tác động có hại của ôxy và nitơ trong không

khí và ổn định hồ quang.


Vùng hồ quang có nhiệt độ rất cao, có thể đạt tới 61000C. Kim loại

mối hàn có thể chỉ do kim loại vật hàn tạo nên (khi hàn liên kết gấp mép) hoặc

được bổ sung từ kim loại phụ. Toàn bộ vũng hàn được bao bọc bởi khí trơ thổi

ra từ chụp khí.

- Đặc điểm :

Phương pháp hàn TIG có một số đặc điểm sau :

+ Tạo ra mối hàn có chất lượng cao đối với hầu hết kim loại và hợp kim.

+ Không có hiện tượng bắn tóe kim loại khi hàn.

+ Có thể hàn ở mọi vị trí trong không gian.

+ Nhiệt tập trung cao cho phép tăng tốc độ hàn, giảm biến dạng.

+ Khó bảo vệ vũng hàn trong môi trường có gió.

+ Có thể tự động hóa khi hàn.

+ Thường hàn vật có chiều dầy s 5mm

- Phạm vi sử dụng :

Hàn TIG được áp dụng trong nhiều lĩnh vực sản xuất, đặc biệt rất thích hợp

trong hàn thép hợp kim cao, kim loại màu và hợp kim của chúng.

b) Các thông số cơ bản của chế độ hàn TIG

- Cường độ dòng điện hàn : chọn theo bảng

- Thời gian tăng cường độ dòng hàn lên trị số đã chọn : tùy thuộc vào vị

trí hàn, tính chất vật liệu,… để chọn cho thích hợp.

- Thời gian giảm cường độ dòng hàn đến khi tắt hồ quang với mục đích

tránh lõm cuối đường hàn.

- Tốc độ hàn : ảnh hưởng nhiều đến độ ngấu mối hàn.

- Đường kính điện cực W, que hàn phụ : tùy theo chiều dầy vật liệu, loại

dòng điện hàn để chọn đường kính điện cực và que hàn phụ (chọn theo bảng).


- Lưu lượng khí bảo vệ và kích cỡ chụp khí : chọn theo chiều dầy vật

liệu, tính chất vật liệu và loại khí bảo vệ.

2.2.5 Hàn đắp tự động hồ quang rung

2.2.5.1 Nguyên lý và đặc điểm

Hàn đắp tự động hồ quang rung là quá trình hành trong đó hồ quang hàn xuất

hiện giữa đầu dây hàn và kim loại cơ bản luôn gián đoạn do sự rung động của tẩu hàn.

Mối hàn được tạo thành từ kim loại dây hàn và một phần kim loại nóng chảy dưới tác

dụng của nhiệt hồ quang. Như vậy quá trình hàn bao gồm những chu kỳ ngắn lặp đi

lặp lại liên tục. Mỗi chu kỳ có thể chia làm 3 giai đoạn: ngắn mạch, phát sinh hồ

quang (hay làm việc) và chạy không.

- Khi ngắn mạch điện áp trong mạch hàn giảm tới không, cường độ dòng điện

hàn tăng lên nhanh chóng.

- Tiếp theo là giai đoạn làm việc, khi đó hồ quang xuất hiện trong một thời gian

rất ngắn. Nếu tốc độ dao động của tẩu hàn là 50Hz thì mỗi chu kỳ chỉ diễn ra trong

0,01s.

- Thời gian chạy không chiếm tới 65 – 70% thời gian của mỗi chu kỳ. Do vậy

hiệu suất nhiệt rất thấp.

Để tăng hiệu suất nhiệt và chất lượng lớp kim loại đắp cần hạn chế tới mức nhỏ

nhất thời gian chạy không và thay đổi trị số xung của dòng điện. Có thể thực hiện

bằng cách mắc nối tiếp vào mạch hàn một trở kháng cảm ứng dạng cuộn cản của máy

biến thế hoặc một điện dung. Khi đó trị số xung của dòng điện tại điểm tiếp xúc giảm,

tốc độ thay đổi của dòng điện ở dây giảm, giai đoạn chạy không hầu như được loại

trừ, tính ổn định của hồ quang tăng lên và thời gian dây cháy của nó cũng tăng. Sự

phóng điện khi hàn đắp mang đặc tính của quá trình hàn hồ quang tiếp xúc.

Để hiểu rõ bản chất của quá trình hàn rung, ta nghiên cứu sơ đồ hoạt động của

thiết bị hàn (H2-7).

Trong khi hàn đắp dây hàn 4 được cung cấp liên

tục từ cuộn dây 5 nhờ cơ các con lăn 3 qua vòi

rung 9. Vòi rung làm rung động đầu mút dây hàn

10 với biên độ từ 1,5-2,5mm, tuỳ theo đường

kính dây hàn. Sự rung động đó làm ngắt mạch

hàn tại điểm tiếp xúc của đầu dây hàn với chi tiết

hàn đắp 11. Cơ cấu rung có thể là điện từ hoặc cơ

học. Trên hình vẽ sự rung thực hiện

H2-8. Sơ đồ thiết bị hàn đắp điện rung.


bằng cuộn điện từ 6 và điều chỉnh bằng lò xo 7 hoặc bằng cách thay đổi điện thế trong

cuộn dây của cuộn điện từ trong khoảng 20-36V. Mạch hàn được cung cấp dòng điện

một chiều từ nguồn điện hàn 1 qua biến trở 12. Dung dịch làm mát được máy bơm 8

bơm qua ống dẫn nước 2 xuống vòi hàn 9.

Trong thời gian ngắn mạch, dòng điện chạy qua điểm tiếp xúc có mật độ tới

400A/mm2. Kết quả, kim loại tại điểm tiếp xúc bị nung nóng tới nhiệt độ khá cao. Sau

đó đầu dây hàn tách khỏi chi tiết hàn đắp và để lại trên bề mặt của nó một phần kim

loại của dây hàn. Tiếp theo hồ quang xuất hiện làm nóng chảy phần kim loại này và

một phần kim loại cơ bản. Đầu dây hàn xa dần, chiều dài hồ quang tăng lên và tới một

lúc nào đó sẽ bị tắt. Tiếp theo là thời gian chạy không. Các quá trình đó được lặp đi

lặp lại trong suốt thời gian hàn đắp, tạo lên trên bề mặt chi tiết một lớp kim loại hàn

đắp.

Sự đốt nóng và làm chảy kim loại trong quá trình là nhờ nhiệt lượng toả ra do

hiện tượng tiếp xúc và do hồ quang. Theo tính toán khoảng 10% nhiệt toả ra là do tiếp

xúc còn lại là do hồ quang. Bởi vậy, thực tế sự ngắn mạch không có tác dụng làm

nóng chảy kim loại, trái lại, hồ quang gây ảnh hưởng chủ yếu tới quá trình và chất

lượng hàn đắp. Điều này liên quan đến nguồn điện hàn. Do đặc điểm của quá trình

công nghệ hàn rung, nguồn điện hàn phải có đặc tính ngoài cứng, đảm bảo cung cấp

dòng điện hàn với điện áp hồ quang từ 15 – 25V. Có như vậy mới đảm bảo hồ quang

ổn định, kim loại lỏng ít bắn tung tóe.

Điện áp hồ quang càng cao thì các giọt kim loại chuyển từ đầu mút dây hàn tới

vũng hàn càng mạnh, chiều dày lớp hàn đắp do đó tăng lên. Đồng thời hồ quang kém

ổn định, kim loại lỏng bắn nhiều. Sự mất mát kim loại dây hàn do bắn tung toé có thể

đạt tới 60% khi ta hàn với điện áp hồ quang 28V.

Sự dao động của điện cực tạo điều kiện cho kim loại nóng chảy của dây hàn

chuyển qua chi tiết hàn đắp dưới dạng những hạt nhỏ, vũng hàn được tạo thành rất bé

song đủ làm nóng chảy kim loại cơ bản và vật liệu hàn, chi tiết hàn ít nóng và chiều

sâu vùng ảnh hưởng nhiệt bé. Ngoài ra khi hàn đắp điện rung giảm được sự bay hơi

của các nguyên tố hợp kim của dây hàn. Chiều dày lớp hàn đắp có thể thay đổi từ 0,8-

3,5 mm tuỳ theo đường kính dây hàn và chế độ hàn đắp. Chi tiết ít bị nung nóng do đó

biến dạng nhiệt không đáng kể.

Nhược điểm: Do vũng hàn bé không đảm bảo sự trộn lẫn tốt giữa kim loại cơ

bản và kim loại đắp, mối hàn thường chứa nhiều rỗ khí và vết nứt tế vi.

ứng dụng: phục hồi các chi tiết hình trụ có đường kính 15-80mm độ mòn

không quá 2mm về một phía. Các chi tiết làm việc trong điều kiện tải trọng va đập lớn


và đổi chiều, như ngõng trục của ôtô, trục khuỷu … không nên phục hồi bằng phương

pháp này.

2.2.5.2 Dây hàn và dung dịch làm mát

Thường sử dụng dây thép các bon hoặc thép hợp kim với các loại đường kính

từ 1-3mm. Loại dây chọn theo yêu cầu về độ cứng của lớp hàn đắp và phương pháp

gia công nhiệt sau khi hàn. Cần lưu ý rằng các nguyên tố C, Mn, Cr, Mo, … càng

nhiều thì độ cứng kim loại lớp đắp càng cao, đồng thời khuynh hướng tạo vết nứt càng

tăng. Trong phương pháp này mối hàn được làm mát ngay sau khi tạo thành, chi tiết

hàn lại luôn nguội, do đó kim loại cơ bản tham gia vào mối hàn ít, kết quả tính chất

mối hàn chủ yếu được xác định bằng dây hàn. Thực nghiệm cho thấy muốn đạt độ

cứng lớp đắp 40-45HRC mối hàn không có vết nứt, cần dùng dây hàn không vượt quá

0,4% C. Khi lượng C tới 0,6% độ cứng đạt tới 55HRC nhưng trong lớp đắp có nhiều

vết nứt.

Đường kính dây hàn chọn tuỳ theo chiều dày lớp hàn đắp, cường độ dòng điện

và cấu tạo của đầu hàn đắp. Với chiều dày yêu lớp đắp tới 1mm sử dụng đường kính

dây hàn tới 1,6mm; khi chiều dầy tới 2mmđường kính dây tới 2,5mm và chiều dày lớn

hơn 2mm thì dùng dây đường kính 2-3mm. Tuy nhiên không nên hàn với dây đường

kính quá 2,5mm vì chế độ hàn sẽ không ổn định và chất lượng lớp hàn đắp không đảm

bảo, trước hết là mối hàn hình thành không tốt.

Dung dịch làm mát thường dùng là những dung dịch ion hoá vùng hàn tốt,

chẳng hạn dung dịch nước chứa tới 5% canxi cacbonat, 1% xà phòng và 0,5%

glixêrin; dung dịch nước chứa tới 6% canxicacbonat, dung dịch nước chứa tới 3 - 4%

canxicacbonat và 4-5% glixêrin hoặc dung dịch nước 20-30% glixêrin. Dung dịch

cuối cho kết quả tốt nhất.

Dung dịch làm mát đóng vai trò làm mát chi tiết và tẩu hàn trong quá trình hàn

đắp, đồng thời nó còn có tác dụng bảo vệ kim loại lỏng khỏi không khí và làm cho

quá trình hàn đắp tiến hành thuận lợi hơn.

2.2.5.3 Chế độ và kỹ thuật hàn đắp

Chất lượng lớp hàn trong hàn đắp điện rung chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố

công nghệ. Ngoài 3 thông số chính: cường độ, điện áp và tốc độ hàn như hàn tự động,

hàn điện rung còn chịu ảnh hưởng của biên độ tần số dao động của điện cực, góc

nghiêng của điện cực, số vòng cảm ứng của cuộn cảm, hướng và vị trí dung dịch làm

mát, … Những yếu tố này quan hệ chặt chẽ với nhau và xác định chất lượng lớp đắp.

- Cường độ dòng điện ảnh hưởng trực tiếp đến năng suất hàn, đến kích thước cơ

bản của mối hàn. Cường độ hàn được xác định bằng đường kính và tốc độ chuyển

động của dây hàn. Nó còn phụ thuộc vào tần số dao động của điện cực, trị số cản


trong mạch hàn, đặc biệt trị số cản giữa điện cực và chi tiết hàn đắp. Cường độ hàn có

thể xác định bằng trị số mật độ của nó. Mật độ dòng điện trong hàn đắp điện rung

bằng 60-70 A/mm2 đối với dây đường kính tới 2mm và 50-70A/mm

2 đối với dây

đường kính lớn hơn 2mm. Khi tăng tốc độ dây hàn cần tăng mật độ dòng điện.

- Điện áp hồ quang có thể điều chỉnh trong phạm vi từ 15-30V. Giảm điện áp hồ

quang thường làm giảm tính ổn định của hồ quang và độ sâu nóng chảy trên kim loại

cơ bản. Bằng thực nghiệm ta xác định được trị số điện áp theo đường kính dây hàn.

Đường kính 1,5mm điện áp hồ quang phảI là 15-22V. Thông thường có thể tăng điện

áp hồ quang lên một ít để tăng tính ổn định của quá trình hàn đắp.

Tốc độ hàn xác định tuỳ thuộc vào bề dày lớp hàn đắp. Có thể theo công thức sau:

Vh = 2

1.

2

..

...785,0

Ks

KVd e

Trong đó: Vh – tốc độ hàn đắp, mm/s

d - đường kính dây hàn, mm

Vc – tốc độ đưa dây hàn, mm/s

k1 – hệ số chuyển kim loại dây hàn tới mối hàn, k1 = 0,8 - 0,9

δ – chiều dày lớp hàn đắp, mm

s – bước tiến điện cực, mm/vg

k2 – hệ số chênh lệch giữa tiết diện thực tế và tính toán của lớp hàn đắp, k2=

0,9-1,0

Nếu nhân k1 = 0,85 và k+2+ = 0,95 thì tốc độ hàn đắp sẽ là:

Vh =s

Vd e

.

.7,0 .2

Thực tế các chi tiết hàn đấp có đường kính thay đổi và tốc độ quay của chi

tiết hàn đắp cũng thay đổi theo cấp, vì vậy chọn Vh theo công thức trên là khó chính

xác. Bởi vậy thường chọn theo thực nghiệm, kết quả cho thấy Vh = 14 – 34m/h với

dây hàn đường kính 1,5mm và Vh = 23 – 48m/h đối với dây đường kính 2mm.

- Biên độ dao động của điện cực phụ thuộc đường kính dây hàn và điện áp hồ

quang. Đường kính dây hàn càng lớn và điện áp hồ quang càng cao thì biên độ dao

động của điện cực càng lớn. Thường biên độ dao động của điện cực nằm trong khoảng

từ 0,75 – 1 đường kính dây hàn.Tăng biên độ dao động sẽ giảm thời gian phóng điện,

điện cực có điều kiện làm mát tốt hơn, sẽ giảm chiều dày lớp kim loại hàn đắp. Giảm

biên độ dao động của điện cực sẽ làm tăng thời gian ngắn mạch, quá trình hàn mất ổn

định.

- Góc nghiêng điện cực có ảnh hưởng đến hình dấng mối hàn. Góc nghiêng

càng tăng thì chiều rộng mối hàn càng tăng thì chiều rộng mối hàn càng tăng, song tới


một trị số nào đó, chiều rộng mối hàn bắt đầu giảm. Ngược lại chiều cao mối hàn hầu

như luôn giảm, theo chiều tăng của góc nghiêng điện cực (H2-8). Hình dáng mối hàn

tốt nhất khi hàn với góc nghiêng điện cực từ 20 – 600.

- Lượng dung dịch có ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ nguội của chi tiết hàn và

khác nhau đối với những chi tiết có đường kính khác nhau. Đường kính chi tiết hàn

càng bé thì lượng dung dịch làm mát phảí càng lớn, nói chung lượng dung dịch làm

mát không quá 3l/ph.

- Bước hàn đắp (bước tiến của điện cực) liên quan đến chiều rộng mối hàn và

phụ thuộc vào điện áp hồ quang, cường độ dòng điện và tốc độ làm nguội kim loại

mối hàn. Bằng thực nghiệm cho thấy:với điện áp hồ quang từ 12 – 15V thì bước hàn

đắp bằng 1,2 – 1,5 đường kính dây hàn, với điện áp hồ quang từ 15 – 20V thì bước

hàn đắp bằng 1,5 – 2,0 đường kính dây hàn. Tăng bước hàn làm cho kim loại cơ bản

nóng chảy tốt hơn, song các đường hàn có thể không xếp đều đặn và độ tinh khiết của

kim loại lớp đắp không đảm bảo.

Chiều dày lớp hàn đắp xác định bằng lượng mài mòn của chi tiết máy và khả

năng của phương pháp hàn đắp. Phương pháp này cho phép nhận được lớp đắp chiều

dày bằng mấy phần mười mm 3 hoặc 3,5mm. Lượng dư gia công cơ khí bằng 0,8 –

1,2mm về một phía.

Chọn chế độ hàn đắp thường xuất phát từ bề dày lớp đắp. Sau đó chọn loại dây

hàn và đường kính của nó. Loại dây hàn chọn tuỳ thuộc vào độ cứng cần thiết của lớp

hàn đắp., còn đường kính phụ thuộc bề dày của lớp đắp. Tiếp theo xác định tốc độ đẩy

dây (hay cường độ dòng điện), điện áp hồ quang, bước hàn, tốc độ hàn và lượng dung

dịch làm mát.

2.2.6 Hàn đắp điện xỉ

Hàn đắp điện xỉ là phương pháp hàn mới, hiện đại, do Viện Hàn Patôn (Liên Xô)

phát minh. Nó cho phép hàn kim loại có chiều dày không hạn chế với năng suất rất

cao và chất lượng mối hàn tốt. Được sử dụng để phục hồi hàn đắp mặt phẳng, trụ và

côn với chiều dày yêu cầu của lớp đắp không nhỏ hơn 10mm. Nguyên tắc hàn từ dưới

lên theo phương thẳng đứng hoặc nghiêng một góc không lớn hơn 300.

2.2.6.1 Nguyên lý


H.2.9 Sơ đồ nguyên lý hàn điện xỉ

Hàn điện xỉ: Nhiệt phát ra do dòng điện đi qua lớp xỉ và kim loại lỏng có điện trở

lớn, nhiệt lượng sinh ra đủ để nung chẩy thuốc hàn, điện cực và một phần kim loại cơ

bản để tạo nên vũng hàn.

Điện cực nhúng sâu vào vũng xỉ một đoạn ( l ), bề mặt điện cực cách bề mặt vũng

kim loại lỏng một đoạn (a ). Nhiệt lượng sinh ra trong vũng hàn

Q = 0,24.I2.R.t = 0,24 U.I.t

Hàn điện xỉ có thể dùng điện cực dây hoặc tấm, hoặc kết hợp tấm và dây. Dòng

điện đi qua lớp xỉ lỏng và đi qua vũng kim loại lỏng ở giữa tạo ra nhiệt độ cao. Làm

thuốc hàn, điện cực và mép chi tiết hàn chảy ra;

Quá trình hàn điện cực đi xuống với vận tốc không đổi và nhúng sâu vào xỉ lỏng

một đoạn ( l ) trong suốt quá trình hàn. Nếu Vdc = const = tốc độ nóng chảy thì khoảng

cách giữa bề mặt điện cực và vũng kim loại lỏng không đổi và lượng kim loại nóng

chảy ra của điện cực và mép hàn không đổi;

Dòng điện chạy qua xỉ lỏng sẽ phát nhiệt (tính theo công thức trên) Vdc đi xuống

bằng Vnc của dây. Khoảng cách giữa bề mặt điện cực và kim loại lỏng không đổi, độ

ngập sâu của điện cực không đổi. Trong quá trình hàn mối hàn nằm dưới kim loại

lỏng và kết tinh, nhiệt dự trữ của vũng xỉ sẽ cung cấp cho việc nung nóng và nóng

chẩy kim loại hàn để tạo vũng xỉ và kim loại lỏng;

Sơ đồ công nghệ (H2- 8). Hàn điện xỉ nói chung giống hàn dưới lớp thuốc. Sự

khác nhau cơ bản là hồ quang không có khi chế độ hàn ổn định. Các chi tiết hàn 1 gá


đứng với khe hở nhất định. Dọc theo khe hở có đồ gá làm nguội 7 áp sát mặt chi tiết

hàn. Đồ gá làm nguội còn đóng vai trò tạo hình dáng mối hàn.

Dây 2 và thuốc hàn 3 được cung cấp tự động xuống khoảng không gian tạo bởi

mép vật hàn và đồ gá làm nguội. Hồ quang 5 chỉ xuất hiện lúc đầu của quá trình, khi

lượng xỉ lỏng 4 đã đủ lớn, dây hàn nóng chảy trong lớp xỉ và hồ quang mất. Dòng

điện chạy qua thuốc nóng chảy, nung nóng thuốc và giữ nó ở nhiệt độ cao với tính dẫn

điện tốt.

Nhiệt độ thuốc lỏng cao hơn nhiệt độ nóng chảy của kim loại, kết quả kim loại

cơ bản và kim loại bổ sung nóng chảy tạo thành vũng kim loại lỏng 6. Cùng với sự

nóng chảy của dây hàn, đồ gá làm nguội 7 dịch chuyển từ dưới lên và tạo thành mối

hàn 8 liên kết các mép vật hàn.

Mức tiêu thụ thuốc hàn do bay hơi và tạo lớp xỉ lỏng chiếm không quá 5% khối

lượng kl đắp, so với hàn dưới lớp thuốc mức tiêu hao đó giảm15 – 30 lần. Tiêu thụ

điện năng cũng giảm nhờ giảm được năng lượng làm nóng chảy thuốc.

Bể hàn với chiều sâu lớn và tồn tại lâu tạo điều kiện cho khí và tạp chất phi kl

thoát dễ dàng hạn chế việc hình thành rỗ khí và các vết nứt. Việc nung nóng và làm

nguội chậm vùng ảnh hưởng nhiệt loại trừ được hiện tượng tôi nhưng hạt phát triển và

chiều rộng vùng ảnh hưởng nhiệt lớn hơn nhiều lần so với hàn dưới lớp thuốc.

Kim loại hàn đắp bằng điện xỉ chiếm 80 – 90% kim loại dây hàn nóng chảy. Vì

vậy chỉ có thể hợp kim hoá kim loại đắp thông qua dây hàn.

(bỏ sung hình nguyên lý)

2.2.6.2 Công nghệ hàn đắp điện xỉ

Trước khi hàn, mép vật hàn cắt dưới góc vuông bằng ngọn lửa oxy hoặc bằng

cơ khí. Mép vật hàncho phéplồi, lõm tới 3mm.

Khi gá vật hàn cần chú ý khe hở giữa các mép. Thường chiều rộng khe hở chọn

từ 20 – 35mm. Khe hở gây khoa khăn cho việc đưa tẩu hàn vào vị trí hàn và làm giảm

độ ăn sâu của mối hàn, kết quả có thể giảm độ bền của mối hàn. Khe hở lớn làm giảm

năng suất hàn và tốn nhiều vật liệu hàn.

Chế độ hàn điện xỉ được xác định bằng các điều kiện đặc trưng cho tính ổn

định của quá trình, kích thước, hình dáng và chất lượng kim loại hàn đắp.

Đường kính và số lượng dây hàn chọn tuỳ thuộc vào chiều dày vật hàn hoặc chiều

dày mối hàn, Thường dùng dây đường kính 3mm, hoặc có thể tới 5- 6mm. Bằng một

dây đường kính 3mm, khi hàn không dao động ngang có thể hình thành mối hàn ổn

định đối với các chi tiết dày tới 60mm; bằng hai dây tới 60-130mm và ba dây tới 110-

200mm. Cũng những dây đó, song hnà có dao động ngang, bề dày vật hàn tương ứng


là 150, 350 và 600mm. Tốc độ dao động của điện cực (đầu dây hàn) thường chọn

trong phạm vi 30-40m/ph.

Cường độ hàn và điện áp hồ quang phụ thuộc vào bề dày vật hàn. Cườngđộ hàn

có thể xác định theo công thức king nghiệm sau:

Ih = M + Nδ

Trong đó Ih – cường độ hàn, A

M, N – hệ số kinh nghiệm (M = 220 – 280; N = 3,2 – 4)

δ – chiềudày vật hàn, mm

Hoặc cường độ hàn cũng có thể xác định bằng công thức kinh nghiệm khác,

theo nmột hệ số tỷ lệ với tốc độ đẩy dây:

Ih = VeC

Với Ve – tốc độ đẩy dây, m/h

C – hệ số kinh nghiệm, bằng 1,6 – 2,2.

Điện áp hồ quang quy định trong phạm vi 35 – 50V. Chiều dày vật hàn càng

lớn điện áp hồ quang chọn càng cao.

Chiều sâu bể xỉ ảnh hưởng tới quá trình và chất lượng hàn. Chiều sâu tối ưu

của bể xỉ nằm trong khoảng 40- 60mm. Chiều sâu bể xỉ quá bé làm quá trình hàn mất

ổn định, xỉ sôi mạnh và bắn nhiều. Trường hợp ngược lại, chiều sâu ngấu giảm. Vì

vậy khi hàn và hàn đắp điện xỉ việc điều chỉnh chiều sâu bể xỉ được thực hiện bằng

phương pháp tự động.

2.2.7. Hàn đắp bằng hồ hồ quang plasma

2.2.7.1 Hồ quang plasma và ứng dụng của nó

- Plasma là chất được nung nóng tới mức hơi của nó ở trạng thái ion hóa mạnh.

Chất đó bao gồm các phân tử, nguyên tử, ion, điện tử và fôton phát sáng. Mỗi cm3

plasma chứa 109-10

10 phần tử mang điện. Nói cách khác plasma là một chất khí ion

hóa mạnh ở nhiệt độ cao. Trạng thái vật chất ở dạng plasma thường gọi là trạng thái

“thứ tư”.


- Sự ion hóa gây ra bởi tác dụng của nhiệt độ cao hoặc điện trường tần số cao. Tùy

thuộc vào hình thức kích thước mà phân biệt plasma hồ quang hoặc plasma tần số cao.

Ta chỉ khảo sát plasma hồ quang dùng vào việc phục hồi chi tiết máy.

- Khí tạo plasma đi qua một khe hẹp chứa hai điện cực tạo hồ quang. Khí ép hồ

quang làm cho nhiệt độ của nó tới 16000o và cao hơn. Việc tạo ra một nhiệt lượng lớn

trong khoảng không gian nhỏ gây nên sự ion hóa chất khí, tức là làm xuất hiện trong

không gian điện cực những phân tử mang điện trái dấu, những ion và điện tử, cũng

như hơi vật liệu làm điện cực; dưới tác dụng của điện trường và khí nén chúng tạo nên

tia plasma có hướng, thường gọi là hồ quang nén. Plasma có tính dẫn điện cao do đó

dễ khống chế nó bằng điện trường và từ trường. Tốc độ chuyển động của các phần tử

trong tia plasma rất lớn và có thể xác định theo công thức:

trong đó: V- tốc độ chuyển động của các phần tử trong tia plasma, m/s.

I - cường độ dòng điện, A.

P - lượng nguyên tử khí trong 1 cm3.

r - bán kính điểm trên điện cực, cm .

Với áp suất khí 2- 3 at và cường độ dòng điện 400- 500 A, tốc độ chuyển động của

các phần tửu trong tia plasma có thể vượt 15000 m/s.

Cơ cấu tạo tia plasma gọi là mỏ đốt hoặc plasmatron. Sơ đồ nguyên lý mỏ đốt

plasma (H2- 9), có ba sơ đồ tạo plasma: hồ quang thẳng, hồ quang xiên và hồ quang

hỗn hợp.

Trong mỏ đốt tác dụng thẳng (H.a) hồ quang cháy giữa các điện cực không nóng

chảy vonfram 6 và vật hàn 1, bị ép bởi khe hẹp của miệng 2 và khí tạo plasma qua

khoảng không gian 5. Phần khí đi qua cột hồ quang nén bị ion hóa và thoát khỏi

miệng mỏ đốt tạo thành tia plasma. Lớp ngoài tương đối nguội của chất khí tạo nên

lớp cách điện và nhiệt giữa hồ quang và miệng mỏ đốt, bảo vệ nó khỏi bị phá hủy.

Nhiệt độ trong hồ quang nén tác dụng thẳng có thể đạt tới hơn 30000o. Mỏ đốt theo sơ

đồ này dùng để cắt kim loại và những công việc khác đòi hỏi nhiệt độ nung nóng cao.

0,8I PV

r


H2-10. Sơ đồ đầu hăn plasma

a) tác dụng thẳng. b) tác dụng xiên. c) micro plasma.

1.vật hàn; 2. miệng làm nguội; 3. miệng bảo vệ khí; 4. nguồn điện;

5. buồng tạo khí plasma; 6. điện cực; 7. miệng điều tiêu.

Trong đầu hàn tác dụng xiên (Hb) hồ quang cháy giữa điện cực không nóng chảy

6 và miệng làm mát 2. Luồng khí ion hóa được nung nóng đáng kể thoát khỏi miệng

mỏ đốt ở dạng ngọn lửa sáng với nhiệt độ tới 16000o. Tại đây một phần lớn năng

lượng chi phí vào việc nung nóng luồng khí nhưng tốc độ tác dụng nhiệt của nó thấp

hơn vì bề mặt cột hồ quang tự do và sự truyền nhiệt vào môi trường bao bọc tăng theo

chiều tăng của dòng điện. Mỏ đốt theo sơ đồ tác dụng xiên dùng để tôi bề mặt và phun

kim loại.

Trong đầu hàn tác dụng hỗn hợp có hai hồ quang cháy: một ở giữa điện cực

vônfram không nóng chảy và khe làm nguội và một giữa điện cực vônfram nóng chảy

và vật hàn. Mỏ đốt theo sơ đồ này dùng vào việc hàn đắp bằng bột kim loại.

- Khi tia plasma chuyển động với tốc độ cao qua miệng mỏ đốt sẽ kéo theo không

khí của môi trường xung quanh vào vùng hàn. Bởi vậy để bảo vệ vùng hàn của mỏ đốt

người ta gá thêm miệng bảo vệ khí 3. ngoài việc bảo vệ nó còn có tác dụng ép tia

plasma và điều tiêu nó (Hc). Những mỏ đốt loại này gọi là microplasma vì chúng cho

phép nhận hồ quang nhọn trong phạm vi dòng điện bé (0,5- 30 A).

Nhiệt độ tia plasma phụ thuộc nhiều vào cường độ và lượng tiêu thụ khí tạo

plasma. Nhiệt độ cao nhất là ở vùng gần cột plasma, càng xa nhiệt độ càng giảm.

Nhiệt độ và độ dẫn điện của tia plasma tăng theo chiều tăng của dòng điện.

Đặc tính của tia plasma: nhiệt độ cao; tập trung công suất nhiệt trên một khối

lượng nhỏ vật liệu (vùng quá nhiệt chỉ khoảng 0,5- 1,0 mm, trong khi đó vùng quá

nhiệt của hàn hồ quang điện là 1,5- 3,0mm, và hàn hơi là 10- 20mm); có khả năng làm

nóng chảy và thậm chí bay hơi bất kì kim loại nào trong thiên nhiên. Vùng ảnh hưởng


nhiệt khi hàn đắp plasma rất nhỏ, chỉ 3- 6mm (khi hàn đắp hồ quang là 5- 15mm, và

khi hàn đắp khí là 15 - 30mm và cao hơn); lớp hàn đắp có chiều dày từ 0,1 tới vài

milimet. Ngoài ra plasma còn có ưu điểm các chất khí tạo plasma không bắt lửa và có

thể sử dụng không khí làm khí tạo plasma có thể tạo tia plasma có dạng gần giống với

tiết diện lỗ thoát của mỏ đốt và điều chỉnh dạng và hướng tia plasma bằng từ trường

ngoài; khi chuyển động với tốc độ cao trong tia plasma cho phép thổi kim loại nóng

chảy khi cắt, cắt tốc độ nhanh và cắt dưới nước.

Các dạng tia plasma khác nhau nhận được qua những sơ đồ điện khác nhau cho

phép sử dụng nhiều loại vật liệu phụ (dây, thỏi, bột ...), điều chỉnh riêng biệt trong

phạm vi rộng sự nóng chảy kim loại phụ và kim loại cơ bản, có thể nhận được lớp đắp

với chiều sâu ngấu nhỏ nhất. Bằng hàn đắp plasma có thể thực hiện tốt việc đắp các

lớp đồng chì, đồng đỏ, đồng thau trên thép với lượng sắt trong lớp đắp không vượt

quá 0,5%. Người ta cũng đã thành công trong việc đắp các chi tiết thép cacbon thấp và

thép hợp kim thấp bằng vật liệu chịu mòn mà lượng kim loại cơ bản tham gia vào lớp

đắp là nhỏ nhất. Trong lĩmh vực phục hồi chi tiết máy hàn đắp plasma là một trong

những phương pháp công nghệ tiến bộ và có triển vọng nhất.

2.2.7.2 Thiết bị và vật liệu hàn đắp plasma

Thiết bị hàn đắp plasma bao gồm nguồn điện hàn, biến trở đệm, cuộn cảm, dao

động từ, đầu hàn plasma, tủ điều khiển, hệ thống nước lưu thông, đồ gá cung cấp dây

hoặc đầu hàn plasma.

Nguồn điện hàn, sự khác nhau cơ bản giữa hồ quang điện và hồ quang nén (tia

plasma) là ở sự sử dụng khác nhau năng lượng hồ quang. Trong hồ quang thường

năng lượng được sử dụng từ các quá trình ở lân cận điện cực; ở trên mặt điện cực và ở

trong các lớp mỏng của bề mặt điện cực. Trong hồ quang plasma năng lượng được sử

dụng là của một cột riêng, vùng đốt nóng chiếm một khối lượng đáng kể.

Để tăng cường độ đốt nóng người ta tăng chiều dài hồ quang và thể tích cột. Công

suất đốt nóng được biểu thị bằng hai thừa số tương đương cùng bậc IU, trong đó U là

điện áp sụt trong cột. Thêm vào đó có thể nhận dòng plasma công suất hàng trăm và

thậm chí hàng ngàn kW.

Khi hàn đắp bằng điện cực nóng chảy trong hồ quang thường nếu tăng điện áp hồ

quang thì dòng điện giảm và khi hàn đắp tự động quan hệ đó đảm bảo cho chiều dài

hồ quang tự điều chỉnh. Ngược lại trong hàn đắp plasma sự thay đổi cường độ khi

thay đổi điện áp hồ quang làm cho chiều sâu ngấm không đồng đều và phá hoại sự ổn

định của quá trình. Những đặc điểm đó của hồ quang plasma đòi hỏi nguồn điện hàn

phải đảm bảo những yêu cầu thích hợp. Nếu như khi hàn hoặc hàn đắp hồ quang


thường yêu cầu quan trọng nhất là dòng điện không đổi thì trong hàn plasma cần có

công suất cung cấp UI không đổi.

Đặc tính nguồn điện cần có dạng hypecpon (H2.10) hoặc dạng đường thẳng gần

giống với nó (đường gạch) nhận được từ nguồn điện một chiều qua biến trở đệm, hoặc

dốc đứng, thậm chí đứng, cho phép thay đổi điện áp đáng kể khi dòng điện không đổi.

Cấu tạo của mỏ hàn plasma

H2-11. Mỏ hàn plasma và sơ đồ hàn

dây bằng thanh hợp kim cứng:

1. thanh hợp kim, 2.miệng khí bảo vệ,

3. miệng khí công tác, 4. điện cực

vônfram, 5. rãnh cấp nước và điện, 6.

khe cấp khí bảo vệ.

Cấu tạo của các mỏ plasma phụ thuộc chủ yếu vào công dụng và cách tạo plasma.

H2-11. đầu hàn plasma và sơ đồ hàn đắp bằng thanh hợp kim cứng. Khi hàn đắp mỏ

hàn chuyển động nhanh trước thanh hợp kim. Vũng hàn được bảo vệ bằng agôn cung

cấp qua khe 6. Có thể thay thanh hợp kim bằng các dây hàn khác nhau tùy theo yêu

cầu của lớp đắp. Chế độ hàn đắp chọn bằng phương pháp thực nghiệm. Chẳng hạn khi

hàn đắp hợp kim stelit (35- 50Co, 20-35Cr, 9- 15W, 1- 2C, còn lại Fe) chế độ hàn như

sau: cường độ 120- 130A, điện áp hồ quang 40- 50V, lượng agôn tạo plasma và bảo

vệ 8- 10dm3/ph, đường kính điện cực vônfram 3mm, đường kính miệng mỏ plasma

8mm.

2.2.7.3 Công nghệ hàn đắp plasma

a. Chọn chế độ hàn đắp:

Chất lượng lớp hàn đắp plasma phụ thuộc rất nhiều thông số, song tới nay người ta

vẫn chưa nghiên cứu đầy đủ ảnh hưởng của chúng.

Những yếu tố cơ bản ảnh hưởng tới chất lượng hàn đắp plasma là: chất lượng

chuẩn bị bề mặt hàn đắp, cường độ dòng điện, điện áp không tải và điện áp làm việc,

tốc độ hàn, khoảng cách từ mỏ hàn tới bề mặt hàn đắp, lượng tiêu thụ và chất lựơng

khí tạo plasma và khí bảo vệ, biên độ và tần số dao động ngang của mỏ hàn (khi hàn

rung), cũng như lượng nước làm nguội tiêu thụ.

- Chuẩn bị bề mặt hàn đắp bao gồm việc đánh sạch rỉ, dầu, mỡ và các chất bẩn

khác. Công việc này phải tiến hành kĩ hơn so với khi hàn đắp tự động thông thường.


Khi hàn đắp hồ quang điện thường sự liên kết giữa kim loại hàn đắp và kim loại cơ

bản thực hiện được nhờ các quá trình luyện kim và hóa học tại vũng hàn.

Khi hàn đắp plasma kim loại cơ bản không bị nóng chảy; độ bám của lớp đắp có

được là nhờ các quá trình rất phức tạp xảy ra khi liên kết kim loại ở pha lỏng và pha

rắn. Vì vậy mọi chất bẩn có thể có đều ảnh hưởng tới độ bám của lớp đắp. Ngườì ta

làm sạch bề mặt hàn bằng phương pháp tiện, mài hoặc phun.

- Cường độ dòng điện là thông số cơ bản của chế độ hàn đắp plasma. Khi tăng

cường độ hệ số đắp tăng, đồng thời kim loại bổ sung và kim loại cơ bản bị nung nóng

nhiều hơn. Việc tăng quá mức cường độ dòng điện có thể làm cho kim loại cơ bản

nóng chảy, trộn lẫn với kim loại hàn đắp và giảm chất lượng lớp đắp. Cường độ hàn

chọn bằng phương pháp thực nghiệm để đảm bảo nung nóng kim loại cơ bản tới giói

hạn nóng chảy của nó.

- Điện áp không tải của nguồn điện hàn ảnh hưởng tới sự ổn định của quá trình

hàn đắp. Quá trình hàn đắp dùng bột ổn định khi điện áp không tải không thấp hơn

100V và dùng dây- không thấp hơn 70V.

- Tốc độ hàn đắp ảnh hưởng tới hình dáng mối hàn, chất lượng và độ bám lớp

đắp. Tốc độ hàn đắp giảm chiều dày lớp đắp tăng. Hàn đắp với tốc độ quá nhỏ có thể

gây quá nhiệt và làm nóng chảy kim loại vật hàn.

Ngược lại, việc tăng quá lớn tốc độ hàn đắp sẽ làm giảm chiều rộng và chiều cao

của lớp hàn đắp; bề mặt vật hàn có thể không được nung nóng thích đáng, kết quả làm

giảm độ bám của lớp hàn đắp. Vì vật tốc độ hàn đắp phải chọn theo điều kiện về độ

bám và các kích thước cơ bản của lớp đắp.

- Khoảng cách từ mỏ hăn tới vật khi hàn bột giữ vai trò quan trọng. Tăng khoảng

cách đó làm giảm công suất nhiệt của quá trình; kim loại và vật hàn không đủ nung

nóng, độ bám và khả năng bảo vệ của khí giảm. Khi giảm khoảng cách đó công suất

nhiệt tăng, làm cho kim loại vật hàn quá nhiệt, xuất hiện tượng chảy rối của dòng khí

làm giảm khả năng bảo vệ. Khoảng cách thích hợp nhất nằm trong khoảng 12- 20

mm.

Khi hàn đắp bằng dây dẫn điện, khoảng cách thích hợp là 8- 16 mm, còn khoảng

cách từ miệng mỏ đốt tới dây dẫn điện là 5- 8 mm.

Ở Liên Xô đã ứng dụng phương pháp hàn đắp plasma bằng vật liệu bột (H2-13)

để phục hồi nhiều chi tiết máy kéo. Bằng phương pháp này có thể hàn đắp một lần

một lớp kim loại đắp dày 0,3- 3,5 mm và rộng tới 50mm. Nhờ chiều sâu ngấu nhỏ,

thậm chí không có nên có thể phục hồi được những chi tiết dạng ống thành mỏng. Chế

độ hàn đắp quy định như sau:

Máy dùng agôn Máy dùng nitơ


Cường độ, A 150- 200 120- 160

Điện áp không tải, V 120-160 50- 60

Lượng tiêu thụ khí tạo plasma, l/ph 1,5- 2,5 1,5- 2,5

Lượng tiêu thụ khí bảo vệ, l/ph 16- 20 20- 25

Lượng tiêu thụ khí tải, l/ph 5- 7 6- 9

Lượng tiêu thụ khí làm nguội, l/ph 5 5

Khoảng cách từ mỏ hàn tới chi tiết, mm 10- 18 10- 18

Số lần dao động của mỏ hàn trong 1 phút 40- 100 40- 100

Tốc độ hàn đắp, m/ph 0,15- 0,18 0,15- 0,18

c. Hàn đắp plasma với dây kim loại

Phương pháp này cũng thực hiện trên máy đã mô tả. Cấp dây hàn vào tia plasma

tại vị trí cách miệng ngoài của mỏ đốt khoảng 3-9 mm. Việc hàn đắp tiến hành như

trường hợp hàn bột, nghĩa là theo đường xoắn ốc hoặc mỏ hàn dao động ngang. Khi

hàn đắp với dây hàn ta không đấu cực dương với vật mà với dây; dây hàn dẫn điện

còn chi tiết là trung tính. Trong trường hợp này ta sử dụng thiết bị hàn tự động. Nó

làm nhiệm vụ cấp dây tự động vào bể hàn, các chức năng khác do mỏ đốt plasma thực

hiện. Theo cách đó, bề mặt chi tiết được nung nóng bằng plasma đồng thời tiếp nhận

kim loại bổ sung nóng chảy tạo thành lớp hàn đắp.

2.3. Vật liệu trong công nghệ hàn đắp

2.3.1 Vật liệu hàn

Những loại kim loại cơ bản được hàn đắp: có rất nhiều loại bao gồm thép cácbon,

thép hợp kim thấp, thép đúc, thép Mn cao, thép chống ăn mòn…

Thép cácbon và thép hợp kim thấp có đầy đủ tính dẻo dai đáp ứng yêu cầu của

công nghệ hàn đắp tuy nhiên nếu thành phần cácbon tương đương mà cao thì khi hàn

đắp cần phải tiến hành gia nhiệt, đấy là biện pháp hạn chế việc nứt khi hàn.

Tính hàn đối với các kim loại cơ bản: Khi hàn đắp thép cácbon và thép hợp kim

thấp, trị số cácbon tương đương được xem như một chỉ tiêu thể hiện đặc tính hàn của

thép. Trị số cácbon tương đương được tính theo biểu thức:

1 1 1 1 1 1

6 24 40 5 4 14C C Mn Si Ni Cr Mo V

(5.1)

Giữa giá trị cácbon tương đương và độ cứng tôi được ở vùng ảnh hưởng nhiệt tồn

tại sự phụ thuộc bậc nhất, được thể hiện bởi phương trình cho trường hợp hàn đắp

thép tấm dầy 20mm bằng que hàn có đường kính

d = 4 mm (I = 170A, vh = 15cm/phút) [1]

ax (600 40) 40mH C


Trong đó: Hmax là độ cứng cực đại ở vùng ảnh hưởng nhiệt theo Vicker (tải

trọng 100N).

CЭ là trị số cácbon tương đương

Джеқсон đã đề nghị chế độ gia nhiệt đối với các chi tiết bằng thép cho các độ

cứng cực đại tại vùng ảnh hưởng nhiệt

Độ cứng cực đại HV dưới 200 - không cần nung trước

HV từ 200 – 250 - Có thể nung dưới 1000C

HV từ 250 – 325 - Cao hơn 1500C

HV lớn hơn 325 - Cao hơn 2500C

Đề nghị trên liên quan đến việc hạn chế việc xuất hiện vết nứt khi hàn đắp

Khi hàn đắp trong phần lớn các trường hợp nảy sinh các vấn đề tạo nên hiện

tượng nứt nóng. Có thể các việc tạo ra hiện tượng nứt nóng như sau:

Thời gian kết tinh của kim loại hàn tại giới hạn kết tinh của hạt tạo nên hợp

kim dễ nóng chảy (ép te tích). Sự có mặt của hợp kim ép te tích tại giới hạn các hạt

là nguyên nhân của sự phá huỷ khi co ngót khi nguội. Để đánh giá độ nhạy của

hiện tượng nứt nóng ……. đề nghị chỉ tiêu H.C.S được tính toán theo phương

trình:

3

( )25 100. . .10

3

Si NiC S P

H C SMn Cr Mn V

- Thành phần và độ cøng của kim loại hàn

- Giản đồ cấu trúc шеффлер

2.3.2 Que hàn đắp

- Vật liệu hàn đắp được chọn tuỳ theo thành phần hoá học của kim loại cơ bản và

yêu cầu kỹ thuật của chi tiết hàn đắp.

- Vật liệu hàn phải bổ sung cho lớp đắp các nguyên tố hợp kim làm tăng độ cứng

và độ chịu mòn khi làm việc trong điều kiện chịu ma sát. Các nguyên tố hợp kim

thường gặp là: C, Mn, Cr, Si, Ti, Ni, …

Mn: hàm lượng từ 8 – 27% sẽ làm tăng độ cứng, tăng chịu mòn lên 4-5 lần, có

khả năng chịu tải trọng động.

Cr: Hàm lượng 6 -8% có độ cứng cao, chịu mài mòn tốt (không chịu được tải

trọng động).

Ngoài ra W, Mo, Co, V, Ni dùng trong các hợp kim đặc biệt.

- Các nguyên tố hợp kim dễ bị bay hơi, dễ bị ôxi hoá, nên sử dụng vật liệu phụ và

bảo vệ khỏi ôxy.

- Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu không được quá cao.


Que hàn đắp: Được phân loại theo thành phần hoá học, tính chất lớp hàn đắp, theo

điều kiện cụ thể.

Thuốc hàn: Phân loại phụ thuộc vào hàm lượng Mn, theo công dụng, tính chất.

Dây hàn: Thường dùng dây hợp kim

Khí: Ar + (5 – 10)% hay (10 - 20)% CO2; CO2

2.3.3 Thuốc hàn nóng chảy

Tương tự như thuốc bọc que hàn. Thuốc hàn là một hợp chất gồm các chất tạo

khí, tạo xỉ, ổn định hồ quang, khử ô xy, hợp kim hoá v.v được bọc lên lõi que hàn.

Hợp chất này làm cải thiện khả năng tạo mối hàn có chất lượng tốt.

*Vai trò của thuốc hàn trong hàn dưới lớp thuốc.

Đảm bảo hồ quang hàn cháy ổn định.

Bảo vệ hồ quang hàn và vũng hàn khỏi sự tác động của môi trường xung quanh.

Tạo dáng mối hàn và hính thành mối hàn tốt .

Đảm bảo tinh luyện kim loại mối hàn và khử tạp chất triệt để hơn, do thể tích vũng

hàn và lượng thuốc hàn nóng chảy lớn hơn, các phản ứng có điều kiện xảy ra triệt để

hơn .

Có khả năng hợp kim hóa kim loại mối hàn cao hơn, đặc biệt là thuốc hàn gốm.

Đảm bảo ít khuyết tật: rổ khí, ngậm xỉ, không có khe hở hàn…

Bảo vệ thợ hàn khỏi tác dụng bức xạ của hồ quang.

*Phân loại :

Theo phương pháp chế tạo có hai loại chính:thuốc hàn nung chảy; thuốc hàn gốm,

thuốc hàn thiêu kết.

Thuốc hàn Nung chảy là thuốc hàn dùng cho hàn hồ quang dưới lớp thuốc,

được chế tạo bằng phương pháp nấu chảy các thành phần của mẻ liệu và được tạo hạt.


Đặc điểm của thuốc hàn nung chảy :

Thường là hệ silicat có tỉ lệ oxit silic cao ,do đó có đặc tính axit .

Nhiệt độ nóng chảy khoảng 1300oC.

Độ nhớt đủ cao ở nhiệt độ cao để ngăn tác động của oxi và N từ không khí khi hàn và

ngăn xỉ chảy loang ra khỏi mối hàn.

Đồng nhất về mặt hóa học, không hút ẩm.

Không chứa được các nguyên tố hợp kim

Khi hàn ,xỉ hàn chứa nhiều Oxi tự do .

2.3.4 Công nghệ phục hồi chi tiết hàn đắp

Phân tích kết cấu và điều kiện làm việc

- Kết cấu:

+ Hình dáng, kích thước

+ Độ phức tạp của kết cấu

+ Lượng bị mòn

+ Vật liệu chi tiết

- Điều kiện làm việc: dựa vào điều kiện làm việc chọn vật liệu hàn cho phù hợp

sự chống ăn mòn, mài mòn.

Làm sạch và chuẩn bị bề mặt

Bề mặt chi tiết hàn cần phải làm sạch: Hầu hết chi tiết máy đưa phục hồi đều rất

bẩn; bề mặt bị bám dầu mỡ, han gỉ. Nếu hàn đắp lên thì mối hàn sẽ không ngấu, rỗ khí

và có những tạp chất phi kim loại khác.

- Phương pháp tẩy sạch chi tiết bằng tia lửa nhiệt hay trong lò nung có hiệu quả và

tiện lợi nhất. Chất bẩn không những bị đốt cháy khỏi bề mặt mà còn khỏi cả những

chỗ hóc hiểm và nứt rạn của chi tiết. Tiếp đó muội than và oxyt kim loại được đánh

sạch bằng chổi thép.

- Tuy nhiên không phải chi tiết nào cũng có thể tẩy sạch bằng phương pháp trên.

Những chi tiết làm bằng thép Mn cao phải rửa trong dung dịch nước xút 5% rồi rửa

bằng nước nóng. Những chi tiết làm bằng thép C hay thép hợp kim mà công nghệ hàn

đắp phải ứng dụng gia nhiệt trước thì việc tẩy sạch dầu mỡ và chất bẩn được thực hiện

ngay trong quá trình gia nhiệt đó.

Sau khi làm sạch bề mặt phải xác định đặc trưng và đại lượng mòn, đồng thời xác

định loại vật liệu của chúng:

- Đại lượng mòn xác định bằng dưỡng hoặc dụng cụ đo. Dựa vào kích thước bình

thường của chi tiết để tính lượng mòn trên chi tiết phục hồi.

- Độ mòn lệch tâm và biến dạng của chi tiết được xác định trên máy tiện và trên

các khối chữ V và các đồ gá khác.


c

h

b

- Các vết nứt trên bề mặt chi tiết cần được hàn vá trước khi hàn đắp. Những vết

nứt nhỏ có thể loại trừ bằng máy mài tay, hoặc đục, dũa cục bộ. Nếu hàn đắp lên

những chi tiết mà không loại trừ vết nứt triệt để thì trong quá trình sử dụng vết nứt đó

sẽ phát triển vào kim loại cơ bảnvà kim loại đắp.

Để thực hiện tốt công việc chuẩn bị cho hàn đắp và quá trình hàn đắp, sau

khi khảo sát và đo lượng mòn của chi tiết cần xây dựng quy trình công nghệ phục

hồi, nội dung gồm:

Nguyên nhân và đặc điểm mài mòn; điều kiện làm việc của chi tiết; khối

lượng, dạng và phương pháp hàn đắp; loại và đường kính que hàn; chế độ và

công nghệ hàn đắp; thời gian hoàn thành; lượng dư gia công cơ khí; gia công

nhiệt trước và sau khi hàn.

Xét các yếu tố ảnh hƣởng

- Ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ hàn đối với hình dáng mối hàn

Hình dáng mối hàn được đặc trưng bởi những kích thước sau (h.5-15):

Hình 2-11. Các kích thước đặc trưng của mối hàn.

b- chiều rộng mối hàn, h- chiều sâu mối hàn, c- chiều cao mối hàn

Những yếu tố công nghệ có ảnh hưởng lớn nhất đến hình dáng mối hàn là

cường độ dòng điện (lh), điện áp hồ quang (Uh) và tốc độ hàn (Vh). Tiếp đến là :

đường kính điện cực, góc nghiêng điện cực đối với bề mặt chi tiết hàn và góc nghiêng

của chi tiết hàn đối với mặt phẳng ngang.

- Ảnh hưởng của cường độ dòng điện và đường kính điện cực.

Với đường kính điện cực (dây hàn) không đổi, việc tăng cường độ dòng điện

làm tăng lượng nhiệt toả ra ở hồ quang. Do đó làm nóng chảy kim loại cơ bản nhiều

hơn. Năng lượng hồ quang lớn thổi kim loại lỏng về phía ngược lại với chiều hàn, kết

quả hồ quang ăn sâu hơn vào kim loại cơ bản, đồng thời thuốc hàn chảy ít hơn. Mối

hàn nguội nhanh, không phát triển rộng được và tạo bề mặt cao (hình 2-12).


Hình2-12 Ảnh huởng của chế độ hàn đến kích thước và hình dạng mối hàn

Để nhận được mối hàn có hình dáng thích hợp cần tăng điện áp hồ

quang tỷ lệ với mật độ dòng điện.

Khi cường độ dòng điện không đổi, việc thay đổi đường kính điện cực-

tức thay đổi mật độ dòng điện sẽ ảnh hưởng đến hình dáng mối hàn. Giảm đường kính

điện cực làm tăng mật độ dòng điện; mối hàn ăn sâu và hẹp.

- Ảnh hưởng của điện áp hồ quang.

Thay đổi điện áp hồ quang trước hết làm thay đổi chiều rộng và chiều cao mối

hàn (h.18). Khi điện áp hồ quang lớn, hồ quang hầu như cháy trong thuốc hàn và ít ăn

vào kim loại cơ bản. Trong điều kiện như vậy thuốc hàn cháy nhiều mối hàn nguội

chậm. Kết quả mối hàn rộng và nóng.

- Ảnh hƣởng của tốc độ hàn.

Thay đổi tốc độ hàn làm thay đổi tiết diện mối hàn (h.19). Giảm tốc độ hàn ảnh

hưởng giống như tăng điện áp hồ quang. Với tốc độ hàn quá nhỏ (khoảng 10m/h) mối

hàn rất rộng và ăn sâu tương đối ít; càng tăng tốc độ mối hàn càng có hình dáng ôvan

chiều rộng và chiều sâu thay đổi. Để giảm bớt chiều cao mối hàn khi hàn với tốc độ

lớn cần tăng điện áp hồ quang.

- Ảnh hưởng của góc nghiêng điện cực và vật hàn.

Có thể hàn với điện cực đặt vuông góc hoặc nghiêng một góc so với bề mặt

chi tiết. Đặt vuông góc khi hàn với tốc độ hàn nhỏ và trung bình. Khi tốc độ lớn (tới

80m/h) điện cực đặt nghiêng về chiều ngược với chiều hàn (h.5-17a). Điện cực đặt

nghiêng theo chiều hàn nói chung không làm thay đổi hình dáng mối hàn, song hàn

với điện cực đặt nghiêng về phía ngược với chiều hàn thì mối hàn sẽ rộng và sâu hơn

(h.5-17b), hồ quang ít thổi kim loại lỏng phía dưới nó. Nghiêng điện cực về phía

ngược lại với chiều hàn khoảng 40-500 sẽ làm giảm chiều sâu mối hàn tới 50% và mối

20 40 60 Vh, m/h100

Uh, V504030

Ih, A300 400 500 600 700

Vh,m/h


900 0

700

650

40 350

Chiều hàn

hàn sẽ rộng ra khoảng 50%; chiều cao mối hàn cũng giảm đáng kể. Vì thế khi hàn với

tốc độ lớn, để giảm chiều cao mối hàn cần nghiêng điện cực về phía ngược với chiều

hàn.

Ảnh hưởng của góc nghiêng vật hàn cũng giống góc nghiêng điện cực: khi hàn

lên (h.22a), ngoài lực điện động của hồ quang còn có trọng lực tác dụng lên vũng hàn,

kim loại lỏng bị chảy và kết quả chiều sâu và chiều cao mối hàn tăng. Khi hàn xuống

(h.5-17) kim loại lỏng vượt trước hồ quang làm giảm độ sâu của mối hàn.

Hình 2-13. Điện cực đặt nghiêng:

a/ về phía ngược chiều hàn. b/về phía chiều hàn.

Trong hàn đắp tự động các chi tiết phẳng không nên để vật nghiêng so

với mặt phẳng ngang. Góc nghiêng cho phép là 80.

Hình 2-14 Hình dáng mối hàn khi hàn với điện cực đăt nghiêng ngược

chiều với chiều hµn.

Kỹ thuật hàn đắp

- .Kỹ thuật hàn đắp tự động mặt phẳng dưới lớp thuốc nóng chảy

Người ta hàn đắp các chi tiết phẳng bằng các máy hàn tự động thông thường có

lắp thêm các cơ cấu phụ. Cơ cấu phụ làm nhiệm vụ di động đầu hàn theo hướng

ngang. Chi tiết hàn đắp được gá trên bàn hoặc trong bộ gá riêng.

Chiều hàn

a

/

Chi?u hàn

b

/


c)

b)

a) I II III IV

1 5 9 2 6 3 7 4 8

654938271

Hình 2-15 a/ Hàn lên b/ Hàn xuống

Việc hàn đắp được thực hiện theo từng đường dọc hoặc ngang bề mặt chi tiết.

Để giảm thời gian chờ đợi gõ xỉ cần hàn được chỉ bằng các con số. Xỉ hàn của đường

1 và 2 gõ trong khi hàn đường 4; của đường 3 gõ khi hàn đường 5…Khi chiều rộng

mặt hàn đắp không rộng lắm thì các đường 1, 2, 3, 4,…(h.23b) được thực hiện theo

khoảng cách bằng hai lần bước tiến của mối hàn. Sau khi hàn xong lượt thứ nhất, gõ

xỉ rồi hàn tiếp lượt thứ hai theo các đường 8, 9…

Nếu đầu hàn được trang bị thêm cơ cấu di chuyển ngang thì có thể hàn đắp với

mối hàn rộng. Chiều rộng của nó phụ thuộc vào chế độ hàn đắp và độ nhớt của thuốc

hàn.

Hình 2-16 Thứ tự hàn đắp mặt phẳng:

a) hàn đắp theo từng phần; b) hàn đắp cách đường

Chiều sâu ngấu của mối hàn điều chỉnh bằng chế độ hàn đắp. Chế độ hàn đắp phải

chọn sao để đảm bảo cho lớp đắp không có vết nứt, rỗ khi hoặc các khuyết tật khác

vật hàn ít bị biến dạng, vùng ảnh hưởng nhiệt bé. Để đạt mục đích đó cần dùng dây

hàn đường kính nhỏ, mật độ dòng điện nhỏ. Khi độ mòn của chi tiết tới 2-3mm thì hàn

đắp bằng dây đường kính 2mm, nguồn điện một chiều, với dòng điện hàn 200A, tốc

độ hàn 20-25m/h, điện áp hồ quang 30-32V. Trường hợp độ mòn tới 3-4 mm vẫn

dùng dây 2mm nhưng chế độ hàn khác : dòng điện hàn 340-350A, tốc độ hàn 25 m/h,

điện áp hồ quang 32-34V. Có thể dùng nguồn điện một chiều hoặc xoay chiều. Với độ


mòn lớn hơn 5mm người ta hàn đắp bằng dây đường kính 5mm; dòng điện hàn 650-

700A, tốc độ hàn 24-30 m/h, điện áp hồ quang 34-36V. Chiều dài của dây hàn so với

tẩu hàn thông thường là 20-30mm đối với dây hàn đường kính 2-3 mm và 40-50 mm

đối với dây hàn đường kính 4-5 mm.

Muốn nhận lớp đắp rộng và thấp cần đặt nghiêng điện cực so với mặt phẳng

ngang một góc 400-50

0. Trong trường hợp này chiều sâu mối hàn giảm khoảng 2 lần

và chiều rộng của nó lớn gấp đôi so với hàn bằng điện cực đặt vuông góc.

Để đắp các mép của vật hàn được phẳng và đầy đặn cần chắn trước bằng những

tấm đồng hoặc thuốc hàn hạt mịn trộn lẫn với thuỷ tinh nước và hàn với mật độ thấp

và điện áp thấp so với bình thường.

- Kỹ thuật hàn đắp tự động mặt tròn dưới lớp thuốc nóng chảy

Hình 2-17 Sơ đồ hàn đắp trục hình trụ

Trong hàn đắp tự động các chi tiết hình trụ điều khó khăn nhất là giữ thuốc hàn

ở vùng hồ quang và thuốc lỏng, đặc biệt là đối với những chi tiết đường kính nhỏ hơn

60 mm và việc gõ xỉ khỏi đường hàn

Việc giữ thuốc hàn trên mặt chi tiết có ý nghĩa hết sức quan trọng khi muốn

nhận lớp hàn đắp với chất lượng cao. Nếu cung cấp thuốc hàn quá nhiều và nhanh sẽ

làm tắt hồ quang và quá trình hàn đắp sẽ bị gián đoạn. Bởi vậy sử dụng tốt các cơ

cấu giữ thuốc sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình hàn đắp thực hiện dễ dàng.

Trên hình 2-18 và 2-19 giới thiệu hai loại cơ cấu giữ thuốc trong quá trình

hàn đắp những chi tiết hình trụ. Khi hàn đắp những chi tiết dài và không có gờ phức

tạp người ta dùng loại thứ nhất (Hình.24). Đối với những chi tiết phức tạp như trục

khuỷu dùng cơ cấu giữ thuốc(Hình 2-18) tiện lợi hơn nhiều. Ống dẫn thuốc 7 thông

thường làm bằng đồng và có kích thước (Hình 2-19)

Để giữ thuốc và xỉ lỏng tốt thông thường đầu tẩu hàn được đặt lệch tâm so với

tâm trục chi tiết hàn đắp một khoảng cách e (h.5-23). Khoảng cách e phụ thuộc vào

đường kính chi tiết hàn và thường bằng 8-14mm. Nói chung khoảng cách e được xác

định bằng phương pháp thực nghiệm khi hàn đắp các chi tiết máy. Khi thuốc hàn được

giữ tốt và khoảng cách e xác định sẽ giữ được xỉ lỏng ở vũng hàn

1

2

3 4

2


7

6

5

4

3

2

1

e

1

2

5

3

4

6

7

10

9

8

Hình 2-18 Cơ cấu giữ thuốc hàn dùng cho việc hàn đắp hình trụ dài:

1. phễu; 2. tẩu hàn; 3. dây hàn; 4. ống dẫn thuốc

5. lớp thuốc hàn; 6. xỉ; 7. mối hàn đắp.

.

Hình 2-19. Cơ cấu giữ thuốc hàn dùng cho việc hàn đắp trục khuỷu:

1. dây hàn; 2.tẩu hàn; 3. thùng chứa thuốc; 4. ống mềm

5. thanh gá; 6.thanh chống; 7. ống dẫn thuốc (đồng)

8. thuốc hàn; 9. xỉ; 10. cổ trục khuỷu.

Cường độ dòng điện hàn và đường kính dây hàn được chọn tuỳ theo

đường kính khi chi tiết hàn đắp và chiều dày chi tiết tại vị trí hàn. Đối với những chi

tiết hình trụ có thể xác định gần đúng cường độ dòng điện theo đồ thị (h 5-25). Phần

gạch chéo là giới hạn của cường độ dòng điện hàn đắp cho các chi tiết có đường kính

khác nhau trong đó mối hàn được hình thành tốt nhất.


30

110°

15

7520

25Ø

28

170

30

32

15

30

20°

135

35

1

Hình 2-20 . Ống dẫn thuốc hàn trục khuỷu:

1- thanh chống bằng gỗ phíp; 2. ống dẫn thuốc bằng đồng; 3. miếng gá.

Hình 2-21Đồ thị xác định cường độ dòng điện hàn theo đường kính chi tiết hàn đắp.

Sau khi xác định trị số dòng điện hàn có thể chọn đường kính dây hàn, dựa theo số

liệu sau:

Dòng điện

hàn,A

90-

200

120

- 300

16

0- 400

22

0- 500

32

0- 750

Đường kính

dây hàn, mm

1,2 1,6 2,

6

3,

0

4,

0

Bước tiến hàn đắp phụ thuộc vào đường kính dây hàn và cường độ dòng điện

hàn, thường từ 3,5 đến 9 mm/vg. Số lớp đắp phụ thuộc vào độ mòn của chi tiết và

lượng


6

312

54

17

16

157

89101112

13

14

Hình 2-22. Thứ tự thực hiện các đường hàn khi hàn đắp hình côn hoặc lòng máng.

Sau khi xác định trị số dòng điện hàn có thể chọn đường kính dây hàn, dựa

theo số liệu sau

Bước tiến hàn đắp phụ thuộc vào đường kính dây hàn và cường độ dòng điện

hàn, thường từ 3,5 đến 9 mm/vg. Số lớp đắp phụ thuộc vào độ mòn của chi tiết và

lượng dư gia công cơ khí. Lượng dư gia công cơ khí phụ thuộc chất lượng lớp hàn

đắp, thường bằng 1,5-2 mm về một phía.

Việc hàn đắp những chi tiết mòn theo dạng hình côn hoặc lòng máng

nói cung không khó khăn lắm nếu góc côn tạo với trục của chi tiết không quá 200. Các

đường hàn thực hiện từ dưới lên (h. 5-26 ) : đầu hàn được nâng dần theo từng chu kỳ

sau 1-2 lớp.

Hàn đắp những gờ đứng hoặc máng đứng phức tạp hơn. Tới nay người ta ứng

dụng hai phương pháp. Phương pháp thứ nhất là hàn ở vị trí nằm ngang đối với trục

quay. Để thực hiện điều đó người ta gá vật trên máy tiện hoặc máy quay thích hợp.

Việc giữ thuốc hàn, kim loại lỏng và xỉ lỏng thực hiện bằng cơ cấu giữ thuốc. Thông

thường người ta quấn chặn bằng amiang. (h.29). Hàn đắp bằng dòng điện nhỏ, điện áp

thấp và tốc độ cao để tạo đường hàn thấp.


6

5

4

32

18

7

Hình. 2-23 Hàn đắp thành đứng ở vị trí ngang đối với trục quay:

1. cơ cấu giữ thuốc; 2. dây hàn; 3. thuốc hàn

4. thanh đứng; 5. bể hàn; 6. kim loại lớp đắp

7. dây amiăng; 8. tẩu hàn

Phương pháp này tương đối đơn giản, chỉ dùng hàn đắp những chi tiết có gờ thấp với

chiều dày lớp đắp bé, như bánh tỳ xe xích và những chi tiết tương tự.

Với những chi tiết có thành đứng cao người ta dùng phương pháp thứ hai. Trong

trường hợp này trục chi tiết nằm ở vị trí đứng hoặc gần đứng, còn mặt hàn đắp nằm ở

vị trí nằm hoặc nghiêng một góc nhỏ so với mặt phẳng ngang. Chi tiết hàn đắp gá trên

máy hàn đắp đặc biệt (h.14) hoặc trên bộ gá quay đứng. Việc hàn đắp thực hiện theo

đường xoắn, hướng từ ngoài mép vào trong gờ. Bước hàn đắp phụ thuộc chiều dày lớp

đắp và đường kính dây hàn, nằm trong khoảng 4-8 mm.

Hàn đắp thành đứng bằng phương pháp trên đảm bảo chất lượng tốt, lượng dư gia

công ít và năng suất cao.

2.4 Công nghệ xử lý nhiệt trƣớc, trong và sau khi hàn

2.4.1 Nhiệt độ nung nóng

a) Nhiệt độ nung nóng trước khi hàn

Mục đích của nguyên công nung nóng trước.

Nung nóng trước thường được áp dụng khi hàn các loại thép hợp kim , đặc biệt

là trong công việc hàn phục hồi, nhằm các mục đích chính như sau:

Giảm và khống chế được tốc độ nguội

Giảm sự biến cứng của kim loại mối hàn cũng như vùng ảnh hưởng nhiệt

Loại trừ hiện tượng nứt do khí hydro xâm nhập

Duy trì nhiệt độ hàn yêu cầu cho các loại vật liệu có độ dẫn nhiệt cao

Nung nóng trước cho các chi tiết dạng trục


Khi hàn các chi tiết bằng thép hợp kim dạng trục thì vấn đề rất được quan tâm

và đóng một vai trò quan trọng quyết dịnh chất lượng của mối hàn đó là tốc độ nguội.

Ta có phương trình tính toán tốc độ nguội như sau:

n

Cn

Q

TTkV

2

0 )(2

Trong đó :

Vn : tốc độ nguội tại đường tâm của mối hàn 0C/s

K: Độ dẫn nhiệt của kim loại, J/mm.s.0C

To: nhiệt độ ban đầu của vật hàn,0C

TC: Nhiệt độ tại đó tiến hành tính toán tốc độ nguội, 0C

Qn : Công xuất nguồn nhiệt

Xuất phát từ công thức tính tốc độ nguội ta nhận thấy rằng, nếu tăng nhiệt độ

ban đầu T0 của vật hàn thì sẽ giảm được tốc độ nguội. Đối với mỗi loại thép hợp kim,

với mỗi thành phần hoá học khác nhau, sẽ có tốc độ nguội khác nhau, sẽ có một tốc độ

nguội tới hạn. Nếu tốc độ nguội thực tế vượt quá tốc độ tới hạn thì cấu trúc mactenxit

biến cứng có thể xuất hiện và phát triển tại vùng ảnh hưởng nhiệt, đồng thời sẽ tăng

khả năng xuất hiện vết nứt dưới tác động của ứng suất dư và sự xâm nhập của khí

hydro. Vậy vấn đề đặt ra làm sao khống chế được tốc độ nguội ở mức an toàn cho mối

hàn. Biện pháp hiệu quả nhất đạt đựợc mục đích này là tăng nhiệt độ ban đầu T0 của

mối hàn tới một giá trị nào đó mà với nhiệt độ ấy tốc độ nguội thấp hơn tốc dộ nguội

tới hạn. Thường thường sau tính toán, nhiệt độ To có giá trị lớn hơn nhiệt độ môi

truờng, do vậy cần phải nung nóng chi tiết hàn trước khi thực hiện công việc về hàn.

Nguyên công gia nhiệt trước thường được áp dụng cho các loại thép hợp kim, nhằm

làm giảm tốc độ nguội., ngăn chặn sự xuất hiện của tổ chức mactenxit và sự biến cứng

của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt.

Việc làm giảm tốc độ nguội còn có một tác dụng khác , khi tốc độ nguội giảm

chậm ở dải nhiệt độ dưới 2000C sẽ có nhiều thời gian hơn để lượng khí hyđro thâm

nhập mối hàn có điều kiên thoát ra ngoài, vì vậy sẽ ngăn chặn được hiện tượng nứt

nguội.

Quá trình nung nóng trước đó sẽ góp phần làm sạch bề mặt chi tiết khỏi bị ẩm ,

hơi ẩm ướt, hơi nước. Tuy vậy đây không phải mục tiêu chính của nguyên công gia

nhiệt trước.

Đối với các chi tiết dạng trục đường kính lớn, vì khả năng hấp thụ nhiệt luợng

của chúng rất lớn, do vậy cấu trúc vùng ảnh hưởng nhiệt và kim loại hàn sau khi

nguội có thể là cấu trúc mactenxit nếu không được nung nóng trước ở nhiệt độ cần

thiết. Vậy vấn đề cần đặt ra là căn cứ vào khả năng truyền nhiệt của vật liệu cũng như


hình dạng của chi tiết, phải xác định đựơc tổng nhiệt lượng phải cung cấp cho vật

hàn để khống chế được tốc độ nguội theo yêu cầu, tổng nhiệt lượng yêu cầu cung cấp

cho kết cấu hàn thường phụ thuộc vào các yếu tố như kích thước và hình dạng hình

học của kết cấu hàn, thành phần hóa học của chúng, nhiệt lượng cung cấp của nguồn

hàn và nguồn gia nhiệt trước. Tuy vậy không có một phưong pháp nào dùng để đo

trực tiếp tổng nhiệt lượng cung cấp do nung nóng trước. Thường thường nhiệt độ

nung nóng trước được tính toán thông qua các phưong pháp sau: Sử dụng phương

trình tốc độ nguội và tính toán dựa vào thành phần hóa học của các loại vật liệu.

Tính toán nhiệt độ nung nóng trước cho trục piston MH45

Sử dụng phưong trình tốc độ nguội và tốc độ nguội tới hạn, phương trình tốcđộ

nguội thường được dùng để xác định tốc độ nguội tới hạn và dùng để tính toán nhiệt

độ nung nóng sơ bộ. Khi tiến hành các công việc hàn thép hợp kim có lượng cácbon

tương đương Ctđ cao thì vấn đề đầu tiên là phải xác định đựợc tốc độ nguôi tới hạn.

Cách đơn giản nhất là tính toán cho các đường hàn thí nghiệm có tốc độ hàn hàn khác

nhau trong khi các thông số khác đựơc giữ không thay đổi. Sau khi tính toán được tốc

độ nguôi tới hạn, căn cứ vào phương trình tốc độ nguội sẽ tiến tới tính toán được nhiệt

độ nung nóng sơ bộ.

Trong trường hợp hàn phục hồi trục piston búa máy MH45, vật liệu cơ bản của

thân búa là thép SMn433(JIS G4106-79). Muốn xác định được nhiệt độ nung nóng

ban đầu, công việc đầu tiên là phải tiến hành đo là xác định tốc độ nguôi tới hạn của

loại thép này. xác định tốc độ nguôi tới hạn cho loại thép SMn433 bằng thực nghiệm.

Như đó trình bầy ở phần trên, ta tiến hành hàn các đường hàn độc lập một tấm

mẫu phẳng bằng thép SMn433 với các chế độ tiêu chuẩn như sau:

U=32V ; I =250A ; t = 5mm ; f1 = 0,9

T0 =280C ; TC =550

0C

Tốc độ hàn v( tốc độ chuyển động của hồ quang) đuợc thay đổi ở các giá trị

như sau: v=5,6,7,8,9,10mm/s.

Tiến hành hàn và kiểm tra độ cứng tại mặt cắt ngang của mối hàn và vùng

ảnh hưởng nhiệt, ta nhận thấy rằng cấu trúc mối hàn có độc ứng cao nhất tại vùng ảnh

hưởng nhiệt là khi hàn với tốc độ hàn 9 và 10mm/s còn các tốc độ nguôi bảo đảm

được độ an toàn cho liên kết hàn.

Như ở phần trước đó nêu, giá trị năng lượng cung cấp sẽ là.

mmJv

IUfQn /900

8

250.32.9,0

.1

Như vậy tốc độ nguội sẽ được tính toán như sau:


Vì tấm mẫu của ta là tấm mẫu mỏng có hệ số liên quan đến chiều dầy của vật

liệu (tp) : 6,031,0)( 0

n

Cp

Q

TTctt

do vậy phải áp dụng công thức tính toán tốc độ

nguôi cho tấm mỏng,

2

3

02 ( )n C

n

tV k c T T

Q

Trong đó:

k: độ dẫn nhiệt của thép, k = 0,028 J/mm.s0C

C=0,0044 J/mm3.0C

t: Chiều dầy tấm(mm)

Thay số vào ta có: 2

352.3,14.0,028.0,0044 (550 28)

900nV

= 3,390/s

Trong trường hợp này, ta tính toán nhiệt lượng cung cấp hồ quang theo công

thức sau :

Q = Qh. 1f = 0,24.k. 1f .I.U,

Qh : Công suất nhiệt của hồ quang

I : Cường độ dòng điện hàn (A)

U : Điện áp hàn (V)

0,24: hệ số biến đổi năng lượng từ dạng điện năng sang nhiệt năng (cal/w/s)

k : Hệ số tính đên ảnh hưởng của điện áp và cường độ dòng điện lên công suất

nhiệt của hồ quang

Đối vớí dòng một chiều k = 1

Đối với dòng xoay chiều k = 0,7 – 0,97

1f Hiệu suất truyền nhiệt

1f được xác định tuỳ thuộc vào phương pháp hàn và được chọn căn cứ vào

bảng 3.1

Bảng 3.1

Phương

pháp

hàn

Hàn điện cực không

nóng chảy trong môi

trường khí bảo vệ

Hàn điện cực

nóng chảy với

lớp thuốc bọc ổn

định

Hàn điện cực

nóng chảy trong

môi trường khí

bảo vệ

Hàn tự động

dưới lớp thuốc

1f 0,45 -0,6 0,65 -0,75 0,75 -0,85 0,8- 0,9

)(T : Độ dẫn nhiệt của kim loại, J/mm.s. 0 C

: Tỉ trọng của kim loại, g/mm 3

C : Nhiệt lượng riêng của kim loại, J/g. 0 C


Với giá trị trên của tốc độ nguội tới hạn, ta nhận thấy rằng đó chính là giá trị

giới hạn tốc độ nguội cao nhất mà vẫn đảm bảo toàn khi hàn cho loại thép này. Do

vậy nhiệt độ nung nóng sơ bộ trong thực tế phải đảm bảo sao cho giảm tốc nguôi tới

hạn Vn =3,390/s hoặc thấp hơn.

Tính toán nhiệt độ nung nóng sơ bộ khi hàn phục hồi thân búa MH45

Khi tiến hành các công việc hàn phục hồi trục piston máy búa MH45, các

thông số của chế độ hàn thực tế có giá trị như sau:

U=32V; I =500A; Vh=5mm/s

h=r=268mm; f1 =0,9 ; Vn= 3,390C/s

mmJv

IUfQn /2880

5

500.32.9,0

.1

Vì đây là chi tiết dạng trục kich thướcc lớn( đường kính D=,,,mm) có hệ số

liên quan chiều dầy tp>0.6 do vậy ta phải áp dụng công thức tính toán cho các chi tiết

dầy(5.1) ta có:

Ck

QVTT nn

C

0

0 31514,3.028,0.2

2880.39,3550

2

Như vậy để không chế tốc độ nguội khi hàn thấp hơn tốc độ nguội tới hạn

R=3,390C/s , nhằm ngăn chặn việc hình thành sự biến cứng tại vùng ảnh hưởng nhiệt,

thì nhiệt độ nung nóng truớc phải đạt tối thiểu là T0=3150C

b. Tính toán căn cứ vào thành phần hoá học của vật liệu

Thường thì hàm lượng cacbon càng cao thì tốc độ nguôi tới hạn càng thấp,

càng cần thiết phải nung nóng truớc và dùng các phuơng pháp hàn và vật liệu hàn có

lượng khí hydro thấp.

Tuy vậy, không chỉ có nguyên tố cacbon là nguyên tố duy nhất ảnh hưởng tới

tốc độ nguội tới hạn. Những nguyên tố khác còng có khả năng gây biến cứng và làm

giảm độ dẻo của thép khi mối hàn được là nguôi với tốc độ nhanh. Do vậy khả năng

tạo biến cứng sẽ là một yếu tố quan trọng để xác định bởi một thông số đó là “cacbon

tuơng đuơng ”, toàn bộ ảnh hưởng của cacbon và các nguyên tố hợp kim tới khả năng

biến cứng của kim loại sẽ là cơ sở để xác định nhiệt độ nung nóng truớc và nhiệt độ

giữa các lớp hàn.

Các bon tương đương (Ctđ) là một số giá trị quy đổi kinh nghiệm, được xác

định bởi các công thức quy đổi tương đương, nó thể hiện toàn bộ ảnh hưởng của các

nguyên tố kim loại cơ bản tới khả năng biến cứng của nó. Theo công thức của viện

hàn quốc tế(IIW) thì Ct được tính như sau:

15

%

5

%%%

6

%%%

CuNiVMoCrSiMnCCt


để tính đến ảnh hưởng cảu chiều dầy vật hàn, khi tính toán ta dùng giá trị

cácbon tổng hợp như sau:

tCtC ).005,01(

Công thức trên chỉ đúng khi thành phần các nguyên tố hợp kim nhỏ hơn các giá

trị sau: 0,5%C 3,5%Ni 1,00%Cr 1,6%Mn 0,6%Mo 1,00%Cu

Theo seferian thì nhiệt độ nung nóng truớc thép cácbon và thép hợp kim

được tính như sau:

)(25,03500 CCT o

Giá trị nhiệt độ trên chỉ là giá trị xấp xỉ gần đúng và được thể hiện ở dải rộng.

Nó đặc biệt hữu ích đối với các loại vật liệu hàn không thông dụng nhưng có thành

phần các nguyên tố nằm trong dải khống chế của công thức tính toán.

Dù sao khi dùng công thức trên để xác định nhiệt độ nung nóng truớc thì giá trị

nhiệt độ đạt được phải được xác nhận bởi các biện pháp hàn kiểm tra bằng mô pháng

hoặc tại các kết cấu thực tế truớc khi đưa vào sử dụng.

Theo lý thuyết thì ta hoàn toàn có thể giảm nhiệt độ nung nóng trước dưới giá

trị tính toán bằng cách sử dụng các phương pháp hàn bán tự động và tự động với

cường độ dũng điện hàn ở dải cao hơn so với tính toán trước.

Tính toán nhiệt độ nung nóng truớc cho piston MH45 sử dụng Ctđ vật liệu chế

tạo piston MH45 là thép SMn443 có thành phần như sau:

0,32%C 0,3%Si 1,32%Mn 0,2%S

0,02%P 0,25%Ni 0,3%Cu

Ta nhận thấy thành phần các nguyên tố của vật liệu thép SMn433 đều nằm

trong giới hạn để có thể áp dụng được công thức 5.3 và 5.4. Do vậy sau khi thay số

vào ta có:

2/02,015/55,06/62,132,0 tdC

%636,0tdC

tđCSC ).005,01(

636,0).268.005,01(

%488,1

C

Nhiệt độ nung nóng sơ bộ, 25,0488,1.3500 T

CT 0

0 389

Ta nhận thấy, rằng, khi so sánh hai giá trị nhiệt độ nung nóng trước của hai

phương pháp tính toán thì khụng có sự chờnh lệch lớn. Nhiệt độ độ tính toán bằng

phương trình tốc độ nghiên cứu nhiều hơn. Trong khi đó, tính toán dựa vào giá trị Ctđ


sẽ nhanh và đơn giản hơn, rất hữu ích cho việc tính toán phục vụ các côg việc thực tế.

Tuy nhiên để đảm bảo độ an toàn cao cho liên kết hàn, ta chọn nhiệt độ nung nóng

truớc là nhiệt độ có giá trị cao hơn như sau. CT 0

0 366

Những điều cần chú ý đối với nguyên công nung trước

Nguyên tắc cơ bản nhất khi hàn các loại vật liệu bằng thép hợp kim là phải yêu

cầu nung nóng trước, có nghĩa là “giữ cho nóng”, tưc là phải duy trì vùng kim loại hàn

và vùng ảnh hưởng nhiệt ở một dải nhiệt độ và tốc độ nguội nhất định. Sẽ rất khó

khăn và phưc tạp khi thực hiện việc nung nóng lại nhằm giữ nhiệt độ yêu cầu cho

các kết cấu có kích thước và trọng lượng lớn.

Có thể giảm nhiệt độ nung nóng truớc khi áp dụng phuơng pháp hàn tự động 2

và 3 hồ quang với khoảng cách giữa hồ quang từ 10-15mm. Nhiệt lượng cung cấp lúc

đó sẽ tăng gấp 2 hoặc 3 lần so với dùng 1 hồ quang. Phương pháp này rất hiệu dụng

và đặc biệt hiệu quả khi sử dụng phương pháp hàn tự động dưói lớp thuốc hàn bảo vệ.

Nung nóng trước cs ảnh hưởng rất lớn đối với việc ngăn chặn sự xuất hiện vết

nứt của liên kết hàn có ứng suất dư lớn. Trong quá trình hàn, việc áp dụng quá trình

nung nóng truớc sẽ giữ nhiệt độ vật hàn ở nhiệt độ cao hơn, điều đó đồng nghĩa với

việc tăng khả năng biến dạng dẻo, giảm ứng suất dư.

Tốc độ truyền nhiệt khi hàn đắp lớn hơn nhiều so với khi hàn nối. Khi hàn đắp

dũng nhiệt được truyền đi theo 3 chiều , do vậy yêu cầu nhiệt lượng cung cấp còng

như nhiệt độ nung nóng truớc lớn hơn.

Đối với các chi tiết dầy hoặc có kich thướcc lớn, việc nung nóng truớc đạt

được nhiệt độ yêu cầu là rất tốn kém, do vậy nên chọn phuơng pháp gia nhiệt phù hợp

hoặc tính toán cho việc nung nóng cục bộ.

Nghiên cứu để sử dụng loại vật liệu có thành phần hợp kim thấp để có thể giảm

được nhiệt độ nung nóng trước

Khi hàn các loại thép đó qua nhiệt luyện , cần chỳ ý sao cho nhiẹt độ nung

nóng phải thấp hơn nhiệt độ ram của vật liệu đó, nếu không nó sẽ phá huỷ các đặc tính

có được sau nhiệt luyện của kim loại cơ bản.

b) Nhiệt độ giữa các đƣờng hàn

Thông thường, khi hàn một loại thép có yêu cầu một giá trị nhiệt độ nung nóng

nào đó thì còng phải giữ nhiệt độ đó giữa các lớp hàn. Với nhiều vật hàn, năng lượng

nhiệt cung cấp trong quá trình hàn đủ để duy trì nhiệt độ yêu cầu giữa các đường hàn.

Việc tăng cường các mỏ đốt bổ xung còng được áp dụng trong truờng hợp hàn các

chi tiết bằng thép có thành phần hợp kim cao, tính hàn xấu nên yêu cầu một tốc độ

nguội rất chậm và một chế độ nhiệt rất khắt khe


Khi hàn các loại thép hợp kim, sau khi nung nóng truớc thì quá trình hàn bắt

đầu. Việc bố trí quy trình hàn hợp lý là vấn đề phải quan tâm để giảm tối thiểu thời

gian hàn, kết thúc quá trình hàn càng sớm càng tốt nhằm trỏnh phải thực hiện việc gia

nhiệt bổ xung giữa các lớp hàn.

Từ mục đích chính của việc nung nóng truớc là giảm tốc độ nguội, giảm khả

năng biến cứng của mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. Còng vì mục đích đó nên các

đường hàn còng phải có tốc độ nguội tương tự nhau và thấp hơn tốc độ nguội tới hạn.

Để đạt được điều kiện này thì phải duy trì nhiệt độ giữa các đường hàn sao cho có giá

trị ít nhất phải bằng nhiệt độ nung nóng trước. Nếu điều kiện này không được thoả

món thì sẽ xảy ra hiện tượng biến cứng ở mỗi mối hàn riêng rẽ tại nơi không thoả

món thì sẽ xảy ra hiện tượng biến cứng ở mỗi mối hàn riêng rẽ tại nơi không thoả

món nhiệt độ yêu cầu. Với những phân tích như đó nêu ở phần trên, thông thường

người ta quy định nhiệt độ giữa các đường hàn ngang bằng với nhiệt độ nung nóng

trước.

Nhiệt độ giữa các đuờng hàn khi hàn piston MH45

Khi tiến hành hàn nối và hàn đắp phục hồi pistonMH45, ta đó tính toán được

nhiệt độ nung nóng truớc cho chi tiết là T0=3660C

, nhằm thoả mãn các mục đích và

yêu cầu của việc khống chế nhiệt độ cho kết cấu hàn , ta chọn nhiệt độ giữa các

đường hàn bằng nhiệt độ nung nóng trước .

Tđ =T0 =3660C (3.6)

Tuy vậy để duy trì nhiệt độ này khi hàn là một vấn đề cần tính toán và quan tâm.

Tuy rằng ta đó áp dụng phương pháp hàn tự động dưới lớp thuốc trợ dung, đó chính

là phương pháp có hiệu suất cung cấp nhiệt tốt nhất đồng thời cường độ dũng điện hàn

còng rất cao, điều đó có nghĩa là nhiệt lượng cung cấp cho vật hàn còng rất cao.

Đường kính piston lớn 540 do vậy khi hàn đắp theo đường xoắn thì thời gian giữa

hai đường hàn mất một khoảng thời gian là 5,6 phút cho một vũng. Trong khi đó, theo

tính toán trường nhiệt khi hàn piston MH45 thì sau 1 vũng nhiệt độ của mối hàn sẽ là:

TC =398,50C. Như vậy , với chế độ hàn như đó chọn, hoàn toàn có thể duy trì được

nhiệt độ giữa các lớp hàn đắp Tđ =3660C khi hàn đắp theo đường xoắn ốc phục hồi

Piston MH45.

2.4.2 Xử lý nhiệt sau khi hàn

Trong kết cấu hàn, sau khi hoàn tất quả trình hàn sẽ tồn tại nội ứng suất, được gọi

là ứng suất dư. Trong một vài trường hợp, giá trị của ứng suất dư có thể lớn xấp xỉ giá

trị giới hạn chảy của vật liệu. Khi kết cấu hàn chịu ngoại lực thì nội ứng suất sẽ tăng

thêm từ phía ứng suất dư cùng dấu và còng có thể vượt quá giá trị ứng suất thiết kế

dẫn đến phá huỷ kết cấu hàn.


Khử ứng suất dư của kết cấu hàn là việc làm cần thiết nhằm tăng tuổi thọ và độ tin

cậy của kết cấu hàn.

Khử ứng suất dư bằng xử lý nhiệt là phương pháp mà trong đó kết cấu hàn được

nung lên tới một nhiệt độ đủ lớn và được duy trì trong một thời gián vừa đủ cho đến

khi ứng suất dư hầu như được khử hoàn toàn

Quá trình khử ứng suất dư và nguyên công ủ hoặc thường hoá là hoàn toà khác

nhau. Nhiệt độ ủ và thường hoá cao hơn dải nhiệt độ tới hạn , vào khoảng 750-9000C ,

trong khi đó nhiệt độ khử ứng suất dư thấp hơn dải nhiệt độ tới hạn. Khi ủ và thường

hoá còng khử ứng suất dư, song với nhiệt độ đũi hỏi rất cao của quá trình nầy sẽ dẫn

đến sự chuyển biến pha của cấu trúc hạt tinh thể, dẫn đến sự thay đổi về cơ tính đồng

thời kích thước hình học của kết cấu còng có thể bị thay đổi.

* Xử lý nhiệt sau khi hàn vật liệu chống mài mòn:

Xử lý nhiệt sau khi hàn vật liệu chống mài mòn được thực hiện với mục

đích ngăn chặn hiện tượng nứt sau hàn, loại bỏ ứng suất dư, đảm bảo độ cøng tối

ưu và nâng cao khả năng gia công cơ bằng cắt gọt. Trong thực tiễn người ta

thường sử dụng các phương pháp xử lý nhiệt sau đây: ủ, ram, tôi và ram sau tôi.

* Xử lý nhiệt sau khi hàn bằng vật liệu chống ăn mòn.

Vật liệu chống ăn mòn thường được sử dụng là thép cácbon thấp và thép

hợp kim thấp. Dưới đây xem xét hai trường hợp xử lý nhiệt thép chống ăn mòn

dạng pherit và thép chống ăn mòn dang Ostennit.

1.Thép chống ăn mòn dạng pherit.

Nung và giữ nhiệt từ 7000C – 900

0C đảm bảo nâng cao tính dẻo dai của

thép sau hàn. Sau đó làm nguội đến 6000C và sau đó đưa chi tiết ra ngoài không

khí. Sau khi ủ cần tiến hành khử ứng suất dư theo chế độ đối với thép hợp kim

thấp. Vật được hàn đắp sẽ có tính dẻo cao và độ bền va đập tốt. Tuy nhiên nÕu khi

ủ đưa nhiệt độ lên qua 9000C sẽ dẫn tới sự làm giảm độ bền va đập.

2.Thép chống ăn mòn dạng Ostennit.

Sau khi hàn đắp đối với thép chống ăn mòn dạng Ostennit có thể xử lý nhiệt

theo các công nghệ sau đây: Nung chi tiết đến nhiệt độ từ 10400C – 1120

0C tuỳ

thuộc vào thành phần cácbon chứa trong thép. Tốc độ làm nguội cần thiết phải cao

để hạn chế việc tạo thành cacbít tại giới hạn các hạt. Ram ổn định với mục tiêu tạo

cacbít ổn định (niobia, tantan titan) trong khoảng 2 – 4 giờ giữ nhiệt độ 8500C –

9000C; Ram để khử ứng suất dư ở nhiệt độ thấp hơn 900

0C.

Việc áp dụng biện pháp xử lý nhiệt sau khi hàn (PWHT) sẽ tạo ra các ảnh hưởng

tích cực sau:


- gúp phần làm giảm và khử ứng suất dư. Khi đạt được nhiệt độ nung và thời

gian giữ nhiệt phù hợp thì ứng suất dư hầu như bị khử hoàn toàn.

- Làm nhỏ mịn hạt kim loại ở vùng ảnh hưởng nhiệt

- giải phóng khí hydro xâm nhập vào mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt, góp

phần ngăn chặn hiện tượng nứt nguội.

- tăng đáng kể độ dai va đập. Đối với các kết cấu hàn có độ dai va đập tại mối

hàn thấp và đặc biệt là có độ dầy lớn hơn 38mm thì việc áp dụng các biện pháp

xử lý nhiệt PWHT là hoàn toàn cần thiết

- làm giảm giới hạn bền và giới hạn chảy của vật liệu khoảng 10% song lại làm

tăng tính dẻo của vật liệu, ngăn chặn hiện tượng phá huỷ dũn của kết cấu trong

quá trình làm việc.

- khử biến dạng, lấy lại độ chính xác cho kết cấu hàn.

Quá trình xử lý nhiệt sau khi hàn.

Khi ta nung nóng kim loại lên nhiệt độ càng cao thì giới hạn chảy của chúng

giảm mạnh, đồng nghĩa với việc biến dạng dẻo rất dễ xảy ra. Do vậy khi một chi

tiết có tồn tại ứng suất mà giá trị của nó thấp hơn giới hạn chảy thì để khử ứng suất

đó ta tiến hành nung nóng chi tiêt đó lên, tới một giới hạn nhiệt độ nào đó, giá trị

ứng suất dư sẽ vượt qua giới hạn chảy của vật liệu, lúc này biến dạng dẻo sẽ xảy

ra và sẽ làm giảm cường độ của ứng suất dư.

Trong vật hàn sau khi hàn cùng tồn tại ứng suất dư kéo và ứng suất nén, tuy

nhiên cả hai loại ứng suất này sẽ tự triệt tiêu nhau hoặc được phân bố đều lại

trong chi tiết khi ta duy trì liên kết hàn ở nhiệt độ cao(thấp hơn nhiệt độ biến đổi

pha) trong một khoảng thời gian phù hợp.

Đối với các chi tiết làm bằng thép thường có kích thước phự hợp thì có thể

đưa vào các lũ nung ở nhiệt độ 5400C tùy thuộc vào mỗi loại thép , với thời gian

giữ nhiệt trong một giờ cho 25mm chiều dày chi tiết, và sau đó làm nguội dần dần

với tốc độ nguội chấm nhằm khống chế nhiệ độ trên toàn bộ chi tiết một cách đồng

đều để ngăn chăn chặn việc xuất hiện những ứng suất dư mới đồng thời tránh hiện

tượng biến cứng mối hàn và vùng ảnh hưởng nhiệt. Đối với các loại thép hợp

kim, nhiệt độ nung được tính toán phụ thuộc vào thành phần hóa học vâ nhiệt độ

biến đổi pha của chúng thường là lớn hơn 6000C .

Đối với các chi tiết có tiết diện mặt cắt thay đổi nhiều thì việc tăng nhiệt độ

và làm nguội càng cần phải khống chế chặt chẽ và ở một tốc độ thấp hơn . Nếu tỉ

số giữa tiết diện lớn nhất và thấp nhất của chi tiết nhỏ hơn 4:1 thì tốc độ nung

nóng và tốc độ nguội không được vượt quá 2000C/h cho 2,5mm chiều dày của mặt


cắt lớn nhất. Nếu tỉ só trên càng tăng thì tốc độ nung nóng và tốc độ nguội càng

cần phải giảm.

Nếu vì một lý do nào đó mà nhiệt độ nung nóng không thể nâng lên bằng

nhiệt độ tính toán thì lúc đó thời gian giữ nhiệt phải tăng lên đáng kể.

Thời gian giữ nhiệt tối thiểu được tính toán như sau

Các nguyên công sau khi hàn

Xử lý cơ khí: Tiện, phay, bào, …

Xử lý cơ tính: Tôi, ủ, ram, hoá nhiệt luyện, …

Kiểm tra: các khuyết tật, kích thước, hình dáng, cơ tính, thành phần hoá học.

2.5 Tính chất của kim loại đắp

Tính chất của kim loại sau hàn đắp có thể:

- Độ cứng có thể cao hơn hoặc không cứng bằng

VD: hàn que hàn bằng thép mềm hơn kim loại cơ bản

- Thành phần hoá học, tổ chức không đồng đều

- Độ bền mỏi giảm.

Một só các tính chất ảnh hưởng đến độ bền và tuổi thọ của chi tiết phục hồi

bằng phương pháp hàn như sau.

2.5.1 Không đồng nhất về cấu trúc

Trong quá trình hàn đắp kim loại vũng hàn ở trạng thái lỏng, còn phần kim loại cơ

bản tiếp giáp với nó được nung nóng tới nhiệt độ vượt qua điểm tới hạn. Nhiều trường

hợp vũng hàn được bao quanh bởi khối lượng lớn kim loại nguội. Điều đó làm tăng

tốc độ nguội của kim loại nung nóng (lượng nhiệt đi vào kim loại cơ bản lớn) và xuất

hiện cấu trúc khác nhau. Như vậy tại vị trí hàn đắp không những xảy ra quá trình kết

tinh của kim loại hàn đáp mà còn xảy ra quá trình kết tinh lại kim loại cơ bản tạo

thành vùng ảnh hưởng nhiệt.

Tính chất cơ học của kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt, do kết tinh lại, có thể thay

đổi trong một phạm vi rộng: giới hạn bền, giới hạn chảy, độ dãn dài tương đối có thể

giảm tới 50% so với kim loại cơ bản. Độ cứng vùng ảnh hưởng nhiệt cũng thay đổi

đáng kể.

Đặc biệt thép hợp kim (Cr, Mn, Si, Ni, Ti, V, ...) làm tăng tính tôi của thép,

bằng khả năng tăng tính ổn định của austenit, chậm quá trình phân huỷ khi làm nguội

(có khả năng tạo thành mactenxit). Như vậy cấu trúc chuyển tiếp không ổn định.

2.5.2. Không đồng nhất về thành phần hoá học

Không đồng nhất về thành phần hoá học xảy ra khi các kim loại khác nhau

nóng chảy và đặc biệt khi những kim loại đó có thành phần khác nhau nhiều. Khi kết


tinh thành phần hoá học chưa đạt đến trạng thái đồng đều, đặc biệt là phần giới hạn

của kim loại cơ bản với kim loại đắp.

Khi thành phần hoá học không đồng nhất sẽ không đồng nhất về cấu trúc, nảy

sinh các vùng kim loại giòn có cấu trúc mactenxit, nứt tế vi, ...

Tại vùng chuyển tiếp (giữa kim loại cơ bản và mối hàn) tính không đồng nhất

thể hiện rõ rệt nhất. Nguyên nhân là khi hàn đắp chiều sâu bé, kim loại cơ bản tham

gia vào mối hàn ít nên tốc độ nguội nhanh làm các nguyên tố hợp kim chưa kịp

khuyếch tán đều trên tiết diện. Điều đó gây khó khăn cho việc phân bố đều thành phần

hoá học của kim loại vùng chuyển tiếp.

Khắc phục:

- Giảm tốc độ nguội bằng ủ hoặc nung nóng trước khi hàn

- Chọn vật liệu, chế độ và công nghệ hàn thích hợp

- Gia công nhiệt trước khi hàn, ủ sau khi hàn

- Bảo vệ vũng hàn khỏi O2, N.

2.5.3. Độ cứng và khả năng chịu mài mòn

- Để đạt độ cứng, cần:

+ Chọn vật liệu, chế độ hàn thích hợp

+ Tôi, hoá nhiệt luyện sau khi hàn

+ Hợp kim hoá mối hàn

- Khả năng chịu mài mòn: Tỷ lệ thuận với độ cứng

- Hàn đắp dưới lớp thuốc: Cho phép điều chỉnh thành phần kim loại đắp trong

phạm vi rộng, sẽ đạt cấu trúc và độ cứng thích hợp mà không cần gia công nhiệt sau

khi hàn.

- Hàn đắp trong môi trường khí bảo vệ: Độ cứng và độ mài mòn kém hơn các hợp

kim khác vì hợp kim hoá diễn ra khó khăn hơn.

2.5.4. Độ bền mỏi

- Là lực tải trọng động lớn nhất chịu được

- Độ bền mỏi kém hơn kim loại cơ bản vì cấu trúc và thành phần hoá học không

đồng nhất. Để tăng độ bền mỏi: giảm tốc độ nguội, gia lực trong quá trình hàn để khử

ứng suất dư.

2.6 Một số biện pháp nâng cao chất lƣợng phục hồi bằng hàn

2.6.1. Gia công nhiệt

Phương pháp ủ

Nhiều chi tiết do yêu cầu về độ cứng và độ chịu màu mòn phải hàn đắp bằng hợp

kim, nên sau khi hàn hoặc hàn đắp luôn tồn tại một vùng chuyển tiếp không đồng nhất

về cấu trúc và thành phần hoá học của kim loại.


Gia công nhiệt có thể san bằng đáng kể sự không đồng nhất về cấu trúc và hoá

học. Đó là phương pháp tốt nhất thay đổi cấu trúc và tính chất của kim loại hàn đắp

và kim loại cơ bản. Nó còn có tác dụng làm giảm nội ứng suất dư hàn.

Trong sửa chữa thường thay thế việc gia công nhiệt bằng các đường hàn ủ hoặc

nung nóng vật bằng ngọn lửa oxy – axeetylen. Phương pháp đó không thích hợp vì nó

không đảm bảo nung nóng đồng đều toàn bộ chi tiết. Nhiệt độ nung nóng và chiều sâu

vùng ảnh hưởng nhiệt phụ thuộc rất nhiều yếu tố. Vì vậy phương pháp này chỉ nên

dùng trong trường hợp không thể tiến hành gia công nhiệt bình thường trong lò với

việc nung nóng toàn bộ chi tiết tới nhiệt độ cần thiết.

Để loại trừ hoặc giảm đáng kể nội ứng suất chỉ cần ủ nhẹ và sau đó làmnguội

chậm. Thường nung chi tiết lên 500 – 6000C. Khi tăng hoặc giảm nhiệt độ nung ngoài

phạm vi nhiệt độ này cần thay đổi thời gian duy trì vật theo trọng lượng và cấu tạo của

vật nung.

Ngoài khử bỏ ứng suất, gia công nhiệt còn nhằm các mục đích sau:

- Nhận cấu trúc mịn nhờ kết tinh lại

- San bằng cấu trúc theo tiết diện của chi tiết nhờ nung nóng toàn bộ tới nhiệt

độ xác định.

- San bằng thành phần hoá học của kim loại nhờ khuếch tán

- Tạo cấu trúc và tính chất cơ học cần thiết cho kim loại hàn đắp và kim loại cơ

bản.

Tôi bề mặt

Sử dụng khi phục hồi chi tiết máy bằng hàn đắp đảm bảo cấu trúc, độ cứng, độ

chịu mài mòn cần thiết của kim loại hàn đắp và tăng tuổi thọ của nó.

Nhữngchi tiết máy trước đây đã tôi sau khi phục hồi cũng cần tôi lại, được giải

thích: trong khi hàn đắp, dưới tác dụng của nhiệt hồ quang cấu trúc kim loại thay đổi,

ngoài ra kim loại chi tiết tôi chứa nhiều cacbon, vì vậy việc hàn đắp phải ứng dụng

nung nóng trước. Trước khi hàn đắp phải ủ để khử tôi, khử ứng suất tôi và khả năng

tạo các vết nứt.

2.6.2. Biến cứng nguội

Phương pháp biến cứng nguội bề mặt sử dụng để nâng cao đáng kể độ bền mỏi

và tuổi thọ của chi tiết, ngoài ra còn tăng cường độ chịu mòn của nó.

Biến cừng làm tăng độ cứng và những tính chất đặc trưng khác về độ bền của

kim loại của lớp bề mặt, đồng thời tạo bề mặt chi tiết ứng suất nén dư có lợi.

Hiện nay trong công nghiệp thường hay sử dụng nhiều phương pháp tăng

cường chi tiết bằng biến dạng dẻo bề mặt: phun bi, lăn ép, biến cứng bằng cơ cấu

quay, rung, nổ, ...


2.6.3. Gia công cơ điện

Phương pháp này có thể:

- Tăng độ bền mỏi của các chi tiết lên 26 – 78%,

- Tăng độ chị mòn của chi tiết hàn đắp

Câu hỏi:

Trình bày quá trình hợp kim hóa kim loại đắp trong các phương pháp hàn

đắp(hàn dưới lớp thuốc và hàn dây hàn bột)

Trình bày công nghệ hàn đắp hồ quang tay, bằng que hàn thép các bon, thép hợp

kim trung bình, cao

Trình bày công nghệ hàn đắp hồ quang rung

Trình bày sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ, chế độ hàn và kỹ thuật hàn đến

chất lượng lớp kim loại đắp.

Trình bày các biện pháp sử lý nhiệt trong quá trình phục hồi chi bằng công nghệ

hàn đắp kim loại.

Phân tích các tính chất của kim loại sau hàn đắp, các biện pháp nâng cao chất

lượng lớp kim loại đắp.


Chƣơng 3 - CÔNG NGHỆ PHUN PHỦ

Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ

Công nghệ phun phủ đầu tiên là công nghệ phun kim loại sử dụng khí cháy do một

kỹ sư người Thụy Sỹ tên là Max Ulrich Schoop phát minh từ những năm đầu của thế

kỷ 20. Phương pháp công nghệ này tạo ra một lớp kim loại phủ có độ dày theo yêu

cầu trên bề mặt chi tiết, trong đó các hạt kim loại đè lên nhau từng lớp. Mãi đến năm

1923 công nghệ này mới bắt đầu đưa vào ứng dụng trong sản xuất.

Lúc đầu phun phủ kim loại chỉ dùng cho mục đích trang trí, đến chiến tranh thế

giới thứ hai, công nghệ này bắt đầu được sử dụng với qui mô rộng. Công nghệ

phương pháp kim loại được sử dụng ở hầu hết các nước châu Âu và càng ngày càng tỏ

ra có nhiều tính ưu việt trong các lĩnh vực: phục hồi các chi tiết bị mài mòn, bảo vệ

chống ăn mòn, trang trí ... Lịch sử phát triển của công nghệ phương pháp được trình

bày theo sơ đồ sau.


Trong các phương pháp công nghệ xử lý bề mặt thì phương pháp này càng

được phát triển và mở rộng về qui mô, cải thiện về chất lượng, thể hiện tính ưu việt

so với các phương pháp tạo lớp phủ khác. Nó đã trở thành một lĩnh vực chuyên môn

riêng, thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Một mặt phương pháp này biểu

hiện một biện pháp xử lý bề mặt, mặt khác chính bản thân nó lại có vai trò là một

công nghệ sản xuất. Để đánh giá sự phát triển của phương pháp phun phủ và có cái

nhìn so sánh với các phương pháp tạo lớp phủ khác, ta cần phải dựa trên cơ sở sự phát

triển về trang thiết bị, các quy trình công nghệ và đặc biệt là phạm vi ứng dụng.

Ngày nay người ta đã nghiên cứu chế tạo và đưa vào ứng dụng nhiều loại đầu

phun khác nhau phục vụ cho các phương pháp phun phủ:

Đầu phun nhiên liệu khí cháy (dây, bột)

Đầu phun hồ quang điện (loại 2 dây, 3 dây)

Đầu phun Plasma (dây, bột)

Đầu phun bằng dòng cao tần

Đầu phun bằng kích nổ

Đặc biệt đã có những cải tiến để tăng năng suất phun như phát triển các thiết bị và

dây truyền phun tự động với độ ổn định và chất lượng ngày càng cao.

Căn cứ theo nguồn nhiệt để làm chảy kim loại có thể phân loại đầu phun theo

sơ đồ khối

Hình 3.1: Lịch sử phát triển của công nghệ phun phủ


Đầu phun đầu tiên dùng khí cháy là của Schoop phát minh. Ông dùng ngọn lửa khí

để đốt chảy dây kim loại, dùng không khí nén để thổi kim loại lỏng và dùng tuabin khí

làm cơ cấu dịch chuyển dây phun.

Các loại đầu phun có rất nhiều loại, nhưng vẫn chưa đáp ứng được những yêu cầu

đòi hỏi cao của kỹ thuật. Phương hướng thiết kế các đầu phun hiện nay theo các điều

kiện sau:

Phải làm việc được với mọi phạm vi thời gian của công việc, tức là có thể tắt hoặc

gây hồ quang thường xuyên mà vẫn đảm bảo an toàn.

Cấu tạo từ những chi tiết chịu mài mòn cao chủ yếu là bộ truyền dẫn, bộ dẫn

hướng

Làm việc ổn định với các thông số phun trong thời gian dài

Có chùm tia phun tập trung

Cho cấu trúc lớp phủ chất lượng tốt nhất

Có thể tự động điều chỉnh dòng điện và áp lực khí nhỏ, các cơ cấu được tự động

hoặc cơ khí hóa. Công nghệ phương pháp đã giải quyết thành công các chế độ công

nghệ:

Phun cho các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao (vật liệu gốm, cacbit, oxit kim

loại..).

Phủ được kim loại nguyên chất, các hợp kim lên bề mặt kim loại, hợp kim hay bề

mặt vật khác như gỗ, vải, giấy, sứ.

Phủ được polyme ở thể rắn lên bề mặt vật liệu kim loại ...

Đầu phun

Đầu phun bằng

khí cháy

Đầu phun bằng điện Đầu phun bằng điện +

khí (plasma)

Đầu phun

điện trở

Đầu phun

hồ quang

Đầu phun

cao tần

Đầu phun

nổ HVOF

Đầu phun

dây

Đầu phun

bột

Loại 2 dây Loại 3 dây


Phủ có thể tạo ra lớp chịu nhiệt, lớp dẫn điện trên vật liệu không dẫn điện; tạo ra

lớp chống ăn mòn cho các kết cấu thép (cầu, cảng, ống dẫn, tầu thuyền ...) làm việc

trong môi trường oxi hoá hay ăn mòn điện hoá;

Phủ các lớp kim loại màu (kim loại quý hiếm) lên trên bề mặt của những kim loại

khác nhằm tiết kiệm kim loại quý và tăng giá trị thẩm mỹ trong trang trí.

Phủ lên bề mặt các lớp có khả năng chống mài mòn như thép không gỉ, đồng thau,

nhôm, hợp kim của niken ... với các chiều dày theo yêu cầu cho các chi tiết làm việc

trong môi trường chịu mài mòn.

Phun phủ rất thích hợp và tỏ ra ưu việt trong việc sửa chữa và phục hồi các chi tiết

sửa chữa các khuyết tật của vật đúc, chi tiết bị mòn như trục khuỷu, xylanh, chốt).

H3.2 Lớp phủ Al2O3 và ZrO2 trong tuabin động cơ Rolls - Royce AVON

Sự phát triển của công nghệ phun phủ hiện nay đã được áp dụng trong nhiều lĩnh

vực khác nhau: cơ khí động học, hạt nhân, cơ khí để tạo lớp phủ chịu mài mòn, chống

ăn mòn, tạo các lớp phủ trong ngành điện, lớp cách nhiệt ... Đặc biệt công nghệ phun

phủ plasma phun được các vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao như W, Mo, Cr ..., áp

dụng phủ các lớp trong ngành kỹ thuật tên lửa, kỹ thuật điện (phủ vật liệu không dẫn

điện) và trong gia công các chi tiết chịu nhiệt độ cao.

H3.3. Lớp phủ Silicon Aluminium trong tuabin máy phát điện


Hiện nay phun phủ đang được phát triển mạnh ở các nước tiên tiến như: Anh,

Pháp, Đức, Mỹ, Nhật, Nga, Thuỵ, Điển ... với dây chuyền công suất rất cao; các viện,

trung tâm hay hiệp hội được thành lập để nghiên cứu và ứng dụng phun phủ. ở nước ta

những năm qua công nghệ phun phủ được ứng dụng và nghiên cứu còn rất hạn chế

mặc dù nhu cầu nâng cao chất lượng và tuổi thọ của kết cấu công trình là rất lớn. Đặc

biệt lại có khí hậu nhiệt đới gió mùa, hầu như quanh năm ẩm ướt (độ ẩm 80 90%)

làm cho các chi tiết kết cấu rất dễ bị phá huỷ do ăn mòn, việc nâng cao chất lượng bề

mặt kéo dài tuổi thọ của chi tiết kết cấu là một vấn đề cấp thiết. Nhưng do chưa được

đầu tư nghiên cứu và khai thác ứng dụng một cách có hiệu quả và qui mô nên so với

các phương pháp bảo vệ khác như mạ, phun sơn ... thì phun phủ vẫn chưa được sử

dụng rộng rãi. Tuy nhiên trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển kinh tế,

khoa học công nghệ, các ngành kỹ thuật, công nghiệp thì việc đòi hỏi nâng cao chất

lượng sản phẩm và kéo dài tuổi thọ của kết cấu chi tiết là không thế thiếu, công nghệ

phun phủ bắt đầu được nhiều ngành và các công ty ở Việt nam quan tâm đến.

H3.4. Lớp phủ WC10Co4Cr

H3.5. Phun Zn bảo vệ chân dàn

khoan


Hiên tại công nghệ phun phủ được triển khai tại các trung tâm, viện nghiên cứu

như:

- Viện Kỹ thuật nhiệt đới thuộc viện Khoa học và Công nghệ Việt nam đang triển

khai nghiên cứu về các lớp phủ chống ăn mòn cho các kết cấu biển bằng thiết bị phun

hồ quang điện OSU – hessler 300A (Đức) và đầu phun khí cháy MARK 61 (Anh),

nghiên cứu các lớp phủ trên cơ sở hợp kim Cr - Ni chịu mài mòn, chống ăn mòn và

chịu nhiệt bằng thiết bị phun hồ quang điện OSU – hessler 300 A (Đức).

- Viện nghiên cứu Cơ khí ứng dụng phun phủ trong phục hồi chi tiết máy bằng

thiết bị phun hồ quang M6, M12 (Nga) và tham gia thi công phun phủ bảo vệ bề mặt

cho kết cấu giàn khoan của Vietsopetro.

- Viện công nghệ Bộ quốc phòng, xưởng X50 Hải quân, A42 Không quân,

trường ĐHBK Hà Nội ... cũng có nhiều đề tài nghiên cứu về công nghệ phun phủ.

Năm 2004 viện Kỹ thuật nhiệt đới đã chuyển giao công nghệ phun kẽm bảo vệ và

phục hồi bình ga bằng thiết bị phun hồ quang điện OSU – hessler 300A (Đức) cho

Công ty dầu khí TP. Hồ Chí Minh SAIGONPETRO và dây chuyền hiện nay đang ổn

định, công suất 450 bình ga mỗi ca làm việc. Trong năm 2005 tại viện nghiên cứu Cơ

khí đã báo cáo một đề tài cấp nhà nước về công nghệ phun phủ phục hồi chi tiết bằng

đầu phun plasma. Với xu thế Việt Nam đang ứng dụng công nghệ phun phủ ngày càng

nhiều khi các hãng kinh doanh thiết bị hàn cũng đang muốn mở rộng kinh doanh các

thiết bị phun phủ (Weldtec ...).

3.1 Khái niệm và đặc điểm

3.1.1 Thực chất

Phun phủ là công nghệ đưa vật liệu rắn (dạng bột, dạng dây, dạng thanh cứng

hoặc mềm) vào dòng vật chất có năng lượng cao (dòng khí cháy hoặc dòng plasma)

nhằm nung nóng một phần hay toàn bộ vật liệu; phân tán vật liệu thành các hạt dưới

dạng sương mù rất nhỏ, tăng tốc độ hạt và đẩy hạt đến bề mặt chi tiết cần phủ đã

được chuẩn bị trước.

Do đặc điểm hình thành, lớp phủ sẽ có cấu trúc dạng lớp, trong đó các phần tử vật

liệu bị biến dạng và xếp chồng lên nhau. Tại bề mặt tiếp xúc giữa các phần tử với chi

tiết và bề mặt tiếp xúc của các phần tử xảy ra các quá trình liên kết bền vững tạo nên

cấu trúc lớp phủ.

3.1.2 Đặc điểm

Nguồn năng lượng cách ly với bề mặt chi tiết, nhiệt độ bề mặt chi tiết khi phủ có

thể giữ ở nhiệt độ 800 100

0C, điều này cho phép phủ các loại vật liệu khác nên bề

mặt các vật liệu dễ cháy (VD: phun phủ lên gỗ, vải, giấy, polyme...) nhờ lựa chọn vật

liệu phủ và công nghệ thích hợp.


Các hạt rắn dưới tác dụng vật lý, hoá học của dòng vật chất có năng lượng cao sẽ

có thành phần và tính chất thay đổi, do đó lớp phủ nhận được không nhất thiết có

thành phần trùng với vật liệu phun ban đầu.

Lớp phủ có cấu trúc dạng lớp do các phần tử của vật liệu dưới dạng hạt nóng chảy

hoặc mềm đập lên bề mặt chi tiết với một động năng cao làm chúng biến dạng rất lớn.

Các phần tử của vật liệu phủ, đang ở nhiệt độ cao, khi tiếp xúc với bề mặt chi tiết

thì được làm nguội rất nhanh (tốc độ nguội khi phun plasma khoảng 105 10

7 0/s). Do

đó đối với kim loại có thể tạo thành các pha giả ổn định, vi tinh thể cỡ hạt 0,25 0,5

m hoặc vô định hình.

Để tạo lớp phủ, tất cả các vật liệu phun phải có nhiệt độ chảy và nhiệt độ phân

huỷ hoặc bay hơi chênh lệch ít nhất 3000C để vật liệu không bị phân huỷ hoặc bay hơi

hết trước khi đến bề mặt chi tiết.

Với khả năng cơ động cao (thiết bị phun dễ dàng di chuyển và có thể xách tay)

công nghệ phun phủ có thể thực hiện đối với nhiều loại chi tiết, có thể xử lý tại chỗ,

cục bộ đối với các kết cấu lớn, có thể tạo được lớp phủ cho các chi tiết phức tạp nhờ

sử dụng các đồ gá điều khiển tự động.

3.1.3 Công dụng

Phun phủ phục hồi, hoặc công nghệ gia công mới

Phun các lớp phủ đặc biệt: chịu mài mòn, chống ăn mòn, chịu nhiệt ...

Phun các lớp phủ (lớp phủ dẫn điện, dẫn nhiệt tốt, cách điện, cách nhiệt, lớp

phủ từ tính...) lên các chi tiết mà vật liệu cơ bản không có đặc tính này.

Sửa chữa khuyết tật (vật đúc, chi tiết sau gia công cơ)

Tạo lớp trang trí

Trong đó mục đích phun phủ phục hồi các chi tiết máy mòn và bảo vệ chống ăn

mòn các kết cấu thép là được ứng dụng nhiều hơn cả.

Những hạn chế cần khắc phục

Mối liên kết giữa lớp phủ và nền còn thấp

Tổn thất vật liệu phun nhiều

Ảnh hưởng đế sức bền của chi tiết (giảm giới hạn mỏi của chi tiết)

Bề mặt chi tiết trước khi phun luôn yêu cầu phải làm sạch và tạo nhấp nhô

Đòi hỏi trình độ tay nghề công nhân cao, điều kiện làm việc nặng nhọc, độc

hại.


3.2 Công nghệ phun phủ

3.2.1 Khái quát về phân loại phun phủ

Nếu dựa theo công nghệ sử dụng thì phun phủ được chia làm 4 công nghệ chính:

+ Phun nổ

+ Phun hồ quang điện

+ Phun khí cháy

+ Phun Plasma

3.2.2 Phun khí cháy

3.2.2.1 Khái niệm

Công nghệ phun khí cháy sử dụng ngọn lửa khí để nung cháy vật liệu phủ. Vật liệu

sau khi nung được dòng khí nén phân tán và đẩy đi với vận tốc cao hướng vào bề mặt

chi tiết, tại bề mặt chi tiết sẽ xảy ra quá trình liên kết tạo nên lớp phủ.

3.2.2.2 Nghuyên lý và thiết bị

1. Phun dây

- Nghuyên lý phun dây

Hình 3.6: Nguyên lý công nghệ phun khí cháy sử dụng vật liệu dây


Hỗn hợp khí (khí cháy và oxi) được đẩy qua miệng phun, tại đầu miệng phun hỗn

hợp khi này được đốt cháy tạo nên ngọn lửa khí có nhiệt năng cao. Dây phun được

dịch chuyển bằng cặp con lăn cấp dây, qua miệng phun đến gặp ngọn lửa khí. Tại đây

ngọn lửa có nhiệt độ cao làm nóng chảy đầu dây vật liệu. Dây vật liệu liên tục được

cấp bởi cặp con lăn quay với tốc độ phù hợp với quá trình phun. Trong khi đó, vật liệu

nóng chảy được dòng khí nén thành dòng phần tử phun. Phần tử phun với vận tốc lớn

được phủ lên bề mặt chi tiết đa được làm sạch và tạo nhám, tạo nên lớp phủ. Tuỳ theo

độ dày lớp phủ mà người ta phun với số lớp thích hơp.

- Thiết bị phun dây

2. Phun bột

- Nguyên lý phun bột

Hình 3.7 Nguyên lý công nghệ phun khí cháy sử dụng vật liệu bột

Nguyên lý của phun bột tương tự như phun dây, điểm khác nhau chỉ là việc cấp

vật liệu phun. Vật liệu phun dưới dạng bột được cấp thông qua hệ thống dẫn đến gặp

ngọn lửa khí. Bột phun có thể được dẫn qua miệng phun hoặc cấp trực tiếp vào ngọn

lửa từ đầu miệng phun. Ngọn lửa có nhiệt độ cao nung nóng vật liệu phun, vật liệu

liên tục được cấp với vận tốc phù hợp với quá trình phun.

- Thiết bị bột

H2.3. Thiết bị phun khí cháy sử dụng vl dây


Hình 3.8 . Thiết bị phun khí cháy sử dụng vật liệu bột

Đầu phun bằng ngọn lửa khí cháy

Các đầu phun kiểu ngọn lửa khí đều sử dụng ngọn lửa hỗn hợp khí từ các khí

cháy khác nhau với ôxy như axêtylen, mêtan, prôtan-butan, khí thiên nhiên, khí dầu

hỏa ... Trong đó phần lớn các đầu phun dùng ngọn lửa axêtylen và ôxy, nó cho nhiệt

độ cao nhất, vì vậy có thể dùng để phun với vật liệu có nhiệt độ chảy cao nhất đến

28000C.

c/ Các thông số ảnh hưởng đến chất lượng của quá trình phun:

Thông số kết cấu: Đường kính lỗ phun khí, đường kính lỗ đầu phun, góc nghiêng

của lỗ phun khí so với tâm đầu phun.

Thông số chế độ phun: Áp suất khí đốt tại đầu vào và mức tiêu thụ áp suất khí vận

chuyển, tỷ lệ khí đốt và oxy trong hỗn hợp.Các thông số này sẽ ảnh hưởng đến vận tốc

tia lửa khí, chiều dài phần nhiệt độ cao của ngọn lửa đối với khí, nhiệt độ của phần tử

phủ đối với vật liệu bột, vận tốc của phần phủ.

Khi tăng mức tiêu thụ khí đốt dẫn đến tăng công suất nhiệt (W) và vận tốc dòng

khí (Vg), tăng chiều dài ngọn lửa có nhiệt độ cao (L), đồng thời với đó là tăng tốc độ

tiêu thụ vật liệu phủ (Vm), khi đó năng suất phủ (G) sẽ tăng.

Thông số vật liệu: Cỡ hạt, đường kính dây, mức tiêu thụ bột, vận tốc cấp vật liệu.

áp suất tải vật liệu, mức tiêu hao khí tải.

Thông số ngoại vi: Khoảng cách phun, góc phun

d/ Ưu nhược điểm của phương pháp:

- Ưu điểm: Giá trang thiết bị thấp, hệ số hiệu dụng vật liệu cao khi dùng vật

liệu dây

- Nhược điểm: Năng suất thấp, đặc biệt khi phun phủ dùng vật liệu có nhiệt độ

nóng chảy cao, chất lượng lớp phủ không cao và hệ số hiệu dụng vật liệu thấp khi

dùng các vật liệu bột.


3.2.3 Phun hồ quang điện

3.2.3.1 Khái niệm

Phun phủ kim loại hồ quang điện là công nghệ phun kim loại dùng năng lượng

điện. Ngọn lửa hồ quang điện được dùng để nung nóng chảy vật liệu phủ, sau đó

không khí nén với áp suất lớn và vận tốc cao sẽ phân tán sẽ phân tán kim loại lỏng

thành các lớp sương mù rất nhỏ bắn lên bề mặt chi tiết đã được chuẩn bị sạch. Như

vậy sẽ tạo ra một lớp kim loại phủ dày, trong đó các phần tử kim loại đề lên nhau theo

từng lớp.

3.2.3.2 Nguyên lý và thiết bị

a. Nguyên lý

Hai dây (điện cực) được dịch chuyển bằng cặp con lăn cấp qua ống dẫn dây đến

tiếp xúc nhau. Các dây kim loại được nối với hai điện cực khác nhau bằng ống tiếp

điện, khi tiếp xúc nhau sẽ gây ngọn lửa hồ quang có nhiệt độ cao làm nóng chảy đầu

dây kim loại. Dây kim loại liên tục được cấp bởi cặp con lăn quay với vận tốc phù hợp

với quá trình phun.Trong khi đó kim loại loại nóng chảy được thổi bằng dòng khí nén

được bố trí ở giữa hai điện cực và miệng phun. Phần tử phun với vận tốc lớn được phủ

lên bề mặt chi tiết đã được làm sạch và tạo nhám. Tuỳ theo độ dày lớp phủ mà người

ta phun với số lớp thích hợp.

H2.7. Nguyên lý công nghệ phun hồ quang điện

b. Thiết bị

H 3.9 . Thiết bị phun hồ quang điện

3.2.3.3. Các thông số ảnh hƣởng đến chất lƣợng của quá trình phun

a. Thông số kết cấu

Kích thước và hình dáng đầu phun ảnh hưởng đến chất lượng quá trình phủ. Trong

thực tế chủ yếu dùng đầu phun hình trụ có đường kính d = (3 6)mm.


Góc chéo nhau của hai cực ảnh hưởng đến quá trình hình thành dòng phân tử

phun. Thực tế thường dùng = 300.

Chiều dài bộ phận dẫn dây IK ảnh hưởng đến chu trình phun, nếu IK tăng thì tổn

thất điện áp tăng. Bộ phận có kết cấu hoàn chỉnh thì tổn thất giảm và hệ số sử dụng

năng lượng có ích đạt (0,8 0,9).

b. Thông số chế độ hoạt động

Các thông số ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất quá trình là công suất dòng hồ quang

và tiêu hao khí.

Quá trình tối ưu khi đạt công suất riêng (Nd) nhỏ nhất. Nếu tăng Nd sẽ dẫn đến thất

thoát nhiều phân tử kim loại do bị quá nhiệt, song chất lượng lớp phủ sẽ tốt hơn.

Áp suất, lượng tiêu thụ khí cũng như các tính chất của khí thổi ảnh hưởng trực tiếp

đến các chi tiết của quá trình. Việc tăng áp suất dẫn đến tăng tốc độ phun, tăng lượng

tiêu hao khí thổi và tăng hiệu quả phủ.

c. Thông số về dây và cấp dây

Đường kính dây thường dao động trong khoảng (1 3,5)mm, tốc độ cấp dây

thường là (0,05 0,35)m/s, tương ứng với năng suất phun (2 120)kg/h.

d. Các thông số diều kiện ngoại vi

- Góc phun được chọn trong khoảng (650 90

0)

- Khoảng cách phun L = (100 300)mm

- Tốc độ di chuyển đầu phun (20 50)m/ph

3.2.3.4. Ƣu nhƣợc điểm của phƣơng pháp

Ưu điểm

- Năng suất cao có thể đạt tới 120 kg/h

- Hệ số hiệu dụng năng lượng và hệ số sử dụng vật liệu phủ cao (0,6 0,85)

- Chất lượng lớp phủ khá tốt, độ bámdính cao.

Nhược điểm

- Chỉ dùng được vật liệu dây kim loại để phun

- Nhạy cảm với các khí hoạt tính

* Một số Thiết bị chuyên dùng để phun kim loại bằng hồ quang điện

1. Máy nén khí

Các loại máy nén khí phải đảm bảo các yêu cầu sau:

Lưu lượng khí tối thiểu 100 m3/h (tức 1,7 m

3/ph) để bảo đảm không những

dùng cho phun kim loại mà còn dùng để phun cát làm sạch (lưu lượng phun cát từ 0,8

1,2 m3/ph)

Bảo đảm áp suất ổn định liên tục khi làm việc từ 6 8kG/cm2


Đối với các nhà máy có hệ thống đường ống dẫn khí nén, cũng dùng cho phun

kim loại được, nhưng phải lưu ý đến tổn thất khí nén từ trạm nén khí đến vị trí phun

kim loại.

2. Bình chứa khí

Không khí sau khi được máy nén ép lại có sự dao động rất lớn về áp lực, do đó

nhất thiết phải có bình chứa khí để tạo ra áp lực không đổi trong quá trình phun kim

loại. Thể tích của bình chứa khí tùy theo lưu lượng của máy nén khí để đạt được sự

cân bằng độ thay đổi của áp suất.

Thể tích bình chứa được xác định theo kinh nghiệm sau:

Vt = V3

Với: Vt – thể tích của bình chứa khí (m3)

V – thể tích máy nén khí (m3/ph)

3. Nguồn điện để phun kim loại

Nguồn điện dùng cho quá trình phun có thể là nguồn điện một chiều hoặc xoay

chiều, máy phát điện hàn một chiều, máy hàn chỉnh lưu ...

Nguồn điện có ảnh hưởng quá trình làm việc của đầu phun, đến chất lượng của lớp

phun:

- Với nguồn điện một chiều: nếu sử dụng đầu phun có tốc độ đẩy dây không đổi

thì quá trình làm việc sẽ ổn định hồ quang khi sử dụng nguồn điện có đặc tuyến ngoài

phẳng hoặc thoải (với loại đầu phun này thì điều này cũng đúng cho cả nguồn xoay

chiều). Nếu máy có đặc tuyến dốc, sẽ không bảo đảm được sự gia tăng về cường độ

dòng điện. Vì thế sự phóng tia lửa điện hồ quang khi chập mạch rất khó khăn, có khi

không xảy ra được, dẫn đến quá trình làm của súng phun thường bị gián đoạn

Nguyên nhân: là do tốc độ đẩy dây không đổi, khi chập mạch hai đầu dây phun

tiếp tục chạm vào nhau, tiếp xúc với nhau qua một tiết diện lớn. Vì thế để có thể

phóng được tia lửa điện, cần phải có một sự gia tăng cường độ dòng điện lớn. Với

nguồn điện có đặc tuyến phẳng sẽ khắc phục được vấn đề đó.

Đối với loại súng phun mà tốc độ đẩy dây thay đổi theo điện áp hồ quang, thì

quá trình phun được ổn định và phù hợp với tất cả các loại nuồn điện:

Sự thay đổi độ dài ngọn lửa hồ quang gắn liền với sự thay đổi điện thế của nó.

Khi chiều dài hồ quang ngắn lại, điện thế của nó giảm, tốc độ quay của động cơ đẩy

đây cũng giảm theo và do đó tốc độ đẩy dây cũng giảm xuống. Khi chập mạch, điện

áp hồ quang giảm tới không và do đó tốc độ đẩy dây cũng bằng không, nên sự phóng

tia lửa điện hồ quang được thực hiện dễ dàng. Khi chiều dài hồ quang tăng lên thì điện

áp của nó cũng tăng lên do đó tốc độ đẩy dây cũng tăng lên thích ứng và chiều dài hồ

quang lại giảm xuống theo yêu cầu.


Nhờ việc làm thay đổi tốc độ đẩy dây theo điện áp hồ quang, có thể sử dụng

nguồn điện có đặc tính dốc để phun kim loại.

- Với nguồn điện xoay chiều: dùng cho phun kim loại ít hơn, như phun dây

nhôm hay đồng hoặc hợp kim của nó. Loại nguồn xoay chiều thường là ở máy biến

thế hàn có đặc tính phẳng. Tuy nhiên chất lượng hợp kim phun cũng bị ảnh hưởng

không có lợi.

3.2.4. Phun nổ

3.2.4.1. Khái niệm

Phun nổ là phương pháp kích nổ bằng khí, nguồn nhiệt tạo ra do kích nổ có

công suất nhiệt cao và vận tốc phần tử lớn (800 – 1300 m/s). Công suất nhiệt cao và

áp suất lớn sẽ làm nóng chảy và phân tán vật liệu tạo thành dòng phần tử phun

3.2.4.2.Nguyên lý và thiết bị

a. Nguyên lý

Hình 3.10. Nguyên lý công nghệ phun nổ


Trong buồng cháy một lượng hỗn hợp khí (năng lượng và oxi) sẽ được nạp qua hệ

thống nạp. Nhờ tác động của bộ phận phóng điện (buji), hỗn hợp khí sẽ cháy, kết quả

là xuất hiện sóng nhiệt tạo ra va chạm và sóng nổ, trong kênh sóng nổ lan truyền gây

ra sự cháy của hỗn hợp khí, đồng thời với sự nổ là việc cấp vật liệu phủ (dạng bột)

vào buồng nổ. Việc cung cấp bột có thể theo chiều trục và cũng có thể theo hướng

kính (muốn đạt được chất lượng lớp phủ phải cung cấp bột đều dặn theo mặt cắt). Sau

mỗi chu kỳ nổ, khí nén sẽ được cấp vào buồng phun để thổi làm sạch buồng phun.Tại

miệng của đầu phun, ngọn lửa và dòng phần tử phun được tạo ra. Xung quanh đầu

phun có hệ thống tuần hoàn nước làm mát bảo vệ đầu phun.

Buồng cháy là một hệ hở luôn mở. Các chu kỳ diễn ra liên tiếp nhau trong buồng.

Thời gian của chu kỳ: CK=Na+No+T

Trong đó: Na – Thời gian nạp hỗn hợp khí và bột kim loại

No – Thời gian tạo ra nổ

T - Thời gian thổi buồng đốt

Các chu trình được tạo ra liên tiếp nhau tạo thành chu trình phun.

b. Thiết bị phun nổ

H 3.11. Thiết bị phun nổ

3.2.4.3. Ưu nhược điểm của phương pháp

Ưu điểm

Tạo ra lớp phủ có độ bền cao, có thể phủ cho các chi tiết có Tn ≤ 473 0K, năng suất

tương đối cao, dùng được nhiều loại bột kim loại

Nhược điểm:

Đọng bụi ở phần dưới của đầu phun; tiếng ồn lớn; không phủ được sản phẩm

có độ cứng > 60HRC; khó khăn trong việc dùng bột kim loại có khối lượng riêng nhỏ,

không có khả năng phủ bề mặt lỗ nhỏ; sản phẩm nổ (CO2, CO, H2O, H2, O2, H, O, N

đẽ phản ứng với vật liệu phủ làm xấu tính chất của lớp phủ; dễ gây biến dạng hoặc

phá huỷ chi tiết, nhất là trong trường hợp chi tiết không đủ độ cứng vững (do sóng nổ)


3.2.5. Phun Plasma

3.2.5.1. Khái niệm

Công nghệ phun plasma sử dụng nhiệt của dòng plasma để nung nóng vật liệu.

Plasma là chất khí ở trạng thái các nguyên tử và phân tử bị in on hoá, thực chất là hồ

quang kéo dài. Mặc dù công nghệ này có công suất nhiệt lớn nhưng hệ số hiệu dụng

của phương pháp chỉ đạt 0,5 0,65. Hệ số hiệu suất nung nóng phần tử khí chỉ đạt

0,01 0,1

3.2.5.2. Nguyên lý và thiết bị

a. Nguyên lý

H 3.12 . Nguyên lý công nghệ phun plasma

- Cơ chế hình thành: ban đầu một số electron phát ra từ vùng hẹp nóng chảy

trên miệng ống catod. Các electron vừa hình thành được gia tốc trong điện trường ion

hoá tiếp các phần tử khí tạo thành plasma trải rộng dần trên bề mặt catod.

- Cơ chế phát triển:

+ Khí plasma chuyển động tới vùng anod (đang có hiện tượng phóng điện) sẽ xuất

hiện hồ quang điện, hồ quang này là hồ quang sơ cấp. Dưới tác dụng của hồ quang

điện, một số nguyên tử khí và một số nguyên tử kim loại bị ion hoá tạo thành plasma.

+ Một số điện tử bị giữ lại ở anod và hỗn hợp plasma tiếp tục chuyển động, vì bị

mất một số electron nên plasma trở nên giàu ion dương và do vậy lớp phủ sẽ trở thành

anod thứ cấp. Hồ quang sinh ra giữa catod thứ cấp và anod thứ cấp gọi là hồ quang

thứ cấp. Nhờ có hồ quang thứ cấp mà ngọn lửa plasma kéo dài ra, có tác dụng vừa

nung nóng bột vừa nung nóng chi tiết do đó quá trình xảy ra nhanh, chất lượng lớp

phủ tốt.


b. Thiết bị

Hệ hở (APS)

H 3.13 . Thiết bị phun plasma hệ hở

Hệ kín (VPSS, LPP S, LVPS)

H 3.14. Thiết bị phun plasma hệ kín

3.2.5.3. Ưu nhược điểm của phương pháp

Ưu điểm:

- Năng suất cao (2 8)kg/h với công suất (20 60)kW và năng suất (50

80)kg/h với công suất (150 200)kW.

- Vật liệu phủ đa dạng và có nhiệt độ nóng chảy khác nhau.

- Tạo ra lớp phủ có chất lượng cao

Nhược điểm:

Hệ số hiệu dụng năng lượng rất thấp, lớp phủ còn tồn tại độ xốp, độ bám

dính chưa cao, tiếng ồn lớn


3.2.5.4 Nhiệt độ và vận tốc phần tử phun

H 3.15. Nhiệt độ và vận tốc phần tử phun của các công nghệ

Nhiệt độ và vận tốc phần tử phun là đặc trưng riêng của từng công nghệ.

Thường thì nhiệt độ và vận tốc phần tử phun càng cao thì chất lượng lớp phủ càng

cao. Tuy nhiên, tuỳ theo vật liệu phun và vật liệu nền mà ta chọn công nghệ phun

thích hợp để đảm bảo chất lượng phủ nhưng vẫn kinh tế.

3.3. Sự hình thành và cấu trúc của lớp phủ kim loại

Như khái niệm nêu ở phần trên: phun kim loại đựoc tiến hành trên các đầu

phun(pistole) dưới tác dụng nung nóng chảy kim loại(dây phun) của hồ quang điện và

ngọn lủa khí cháy, kim loại nlỏng đựoc dòng khí nén thổi làm phân tán kim loại lỏng

thành các lớp sưong mù, kim loại rất nhỏ và đựoc bắn lên bề mặt chi tiết đã đựoc làm

sạch, tạo nên một lớp phủ dày, trong đó các phần tử kim loại đè lên nhau theo theo

từng lớp. Trên cơ sở các hiện tựong lý hóa xảy ra trong quá trình phun kim loại, sự

hình thành lớp phủ rất phức tạpvà vấn đề này có rất nhiều quan điểm. Ở đây chỉ nêu

một số quan điểm chính về sự hình thành lớp phủ bằng phun kim loại.

3.3.1. Những quan điểm lý thuyết về sự hình thành lớp phun phủ

Phun kim loại đựoc biết từ lâu và từ đó đến nay đã xuất hiện nhiều công trình

nghiên cứu khác nhau về việc giải thích sự hình thành và tính chất lớp phủ, có thể chia

ra thành các quan điểm lý thuyết như sau.

- Lý thuyết của Pospisil-Sehyl.

- Lý thuyết của Schoop.

- Lý thuyết của Karg, Katsch và Reininger.


1/ Lý thuyết của Pospisil - Sehyl

Lý thuyết này đã kết luận: lớp phủ kim loại xuất hiện do các giọt kim loại lỏng

bị phun bằng một dòng khí nén với tốc độ rất cao (khoảng 200m/s). Các giọt này bị

phá vỡ thành rất nhiều hạt nhỏ, dạng của hạt đặc trưng bởi kim loại của nó. Theo bản

chất có thể chia kim loại thành hai nhóm.:

- Các kim loại mà oxit của nó khi phun ở thể lỏng thì luôn tạo thành các hạt có

dạng hình cầu.

- Các kim loại mà oxit của nó khi phun ở thể rắn (nhôm, kẽm) sẽ tạo thành những

hạt có dạng không đồng đều (đa cạnh).

Dạng của các hạt này khi bay hoàn toàn không thay đổi mà chủ yếu chỉ xảy ra sự

oxy hoá. Sự oxi hoá kim loại thực chất bắt đầu xảy ra từ quá trình làm chảy dây phun

và trong thời điểm tạo ra các hạt nhỏ thì một phần lớn các oxit sinh ra trong quá trình

bay của các hạt. Nghĩa là khi các giọt kim loại lỏng bắt đầu tách thành các hạt nhỏ thì

bề mặt của các hạt cũng bắt đầu tăng lớp oxit. Số lượng oxit nhiều hay ít là nhân tố

chính ảnh hưởng đến chất lượng của lớp phủ.

Thực nghiệm rất khó xác định quá trình va đập của các hạt, vì quá trình này xảy ra

trong một thời gian rất ngắn mà trong thời gian đó quá trình này có ảnh hưởng rất

lớn tới tốc độ bám của các phần tử với kim loại nền.

Từ các thực nghiệm tác giả lý thuyết này tính toán và kết luận: các phần tử kim

loại trong thời điểm va đập trên bề mặt phun là ở thể lỏng.

2/ Lý thuyết của Schoop

Tác giả khẳng định rằng năng lượng động năng của các hạt kim loại khi bay

được cung cấp bằng dòng khí nén nên khi va đập lên bề mặt bị phun thực tế có sự thay

đổi nhiệt. Thực nghiệm đã xác định rằng những hạt kim loại khi rời khỏi miệng phun

bắt đầu bị nguội và đông đặc rất nhanh do tác dụng của dòng khí nén. Trong thời điểm

va đập chúng sẽ có sự biến dạng dẻo, do vậy chúng liên kết với nhau thành những lớp

liên kết.

Tác giả đã cố gắng chứng minh rằng các phần tử kim loại lỏng khi phun luôn

luôn nguội dần. Trong một khoảng cách rất ngắn từ đầu vòi phun , sự giữ nhiệt trong

các dòng tia kim loại là tương đối thấp (còn khoảng 50 1000C). Do vậy tác giả đã

kết luận cho lý thuyết của mình có thể phủ được cả những vật liệu dễ cháy mà không

xảy ra sự cháy.

3/ Lý thuyết của Karg

Lý thuyết này cũng cho rằng những hạt kim loại bị nguội và đông đặc là do tác

dụng của nguồn năng lượng động năng của khí nén. Mặt khác, trong quá trình đi từ

vòi phun các hạt đã ở trạng thái nguội như vậy sẽ không xảy ra sự biến dạng dẻo.


4/ Lý thuyết của Schenk

Tác giả của lý thuyết này đã kế luận: nhiệt độ của các hạt phun phải ở trên

nhiệt độ chảy lỏng để xảy ra sự hàn chặt chúng với nhau, có nghĩa là ở thời điểm va

đập trên bề mặt bị phun, kim loại lớp bề mặt của kim loại nền bị phun sẽ bị đốt nóng

đến nhiệt độ chảy để xảy ra sự hàn gắn giữa các phần tử với kim loại cơ sở, nhưng

thực tế không đúng như vậy

3.3.2 Cơ cấu hình thành lớp phủ

Trên cơ sở phân tích các lý thuyết trên, cơ cấu hình thành lớp phủ có thể mô tả

như sau:

Trong pha đầu của quá trình phun kim loại được đăc trưng bằng sự chảy của

kim loại phun. Trong pha thứ hai là sự tách các giọt kim loại, tiếp đó là quá trình bay

và va đập của các hạt kim loại trên bề mặt đã được chuẩn bị và cuối cùng là sự hình

thành lớp phun kim loại bằng mối liên kết của chúng với bề mặt kim loại nền.

1/ Quá trình chảy và sự phân tán kim loại phun

Khi phun, kim loại bị nung nóng đến nhiệt độ cao hơn nhiệt độ chảy của chúng

tạo thành giọt kim loại lỏng. Giữa kim loại lỏng và môi trường khí xảy ra quá trình

khuyếch tán và sự tác dụng hoá lý với nhau như ứng suất bề mặt, nội năng, nhiệt độ

và hệ số dẫn nhiệt, khả năng co rút gây ảnh hưởng đến cấu trúc bên trong và các tính

chất khác của giọt kim loại lỏng. Trong quá trình chảy cũng xảy ra sự đốt cháy một số

thành phần hóa học trong kim loại lỏng.

Sự lớn lên của một số lượng kim loại lỏng chảy tồn tại cho đến khi lực động

học của dòng không khí nén lớn hơn ứng suất bề mặt kim loại lỏng sẽ làm tách các

giọt kim loại. Giọt kim loại dưới áp lực của dòng khí nén sẽ bị phân tán thành rất

nhiều hạt nhỏ, những hạt này sẽ tạo nên những tia phun kim loại.

Toàn bộ quá trình chảy và phân tán các hạt xảy ra rất nhanh. Sự phân tán chỉ

kéo dài khoảng 1/10.000 1/100.000s và sau mỗi giây tạo ra khoảng 7000 hạt kim

loại. Dạng của các hạt xuất hiện từ sự phân tách giọt kim loại phụ thuộc vào loại kim

loại. Điều này có thể giải thích là do trong hạt, ngoài kim loại còn có phần trăm tỷ lệ

nhất định các oxit, các oxit này có thể chia làm hai loại:

- Loại lỏng bao xung quanh hạt và hạt có dạng hình cầu.

- Loại đặc bị đông đặc rất nhanh và làm tạo nên hạt có dạng đa cạnh.

2/ Quá trình bay của các hạt

Toàn bộ quá trình bay của các hạt, từ lúc bị phân tách từ giọt kim loại đến khi

va đập trên bề mặt phun kim loại xảy ra rất ngắn, khoảng 0,002 0,008s. Trong quá

trình bay của hạt chủ yếu chỉ xảy ra sự oxy hoá, do vậy các phần tử phun kim loại bị

bao bởi bằng một lớp oxit, lớp này sẽ lớn lên theo khoảng cách bay.


Các hạt kim loại chảy lỏng di động trong dòng không khí nén có tốc độ rất lớn.

Ngoài ra các phần tử còn bị ảnh hưởng của rất nhiều nhân tố, biểu thị ở những phản

ứng không đồng nhất. Khi phun kim loại chúng ta phải tính toán đến các vấn đề:

- Các hạt kim loại tách ra ở trạng thái lỏng hay trạng thái đã đặc sệt

- Các phần tử phun luôn bị thay đổi tốc độ bay trong trường gia tốc

- Các hạt luôn phản ứng với môi trường xung quanh chứa oxy, nitơ, hơi nước và

các thành phần hoá học khác

- Khả năng hoà tan của khí phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như áp lực riêng của

khí.

3/ Sự hình thành lớp phủ bằng kim loại

Quá trình tạo thành lớp phủ kim loại tương đối phức tạp. Trên cơ sở kết quả

của những thí nghiệm và tính toán, người ta đã xác định rằng: các phần tử kim loại

trong thời điểm va đập lên bề mặt phun ở trạng thái lỏngvà bị biến dạng rất lớn.

Để hiểu sự hình thành lớp phủ cần phải chú ý các hiện tượng xảy ra khi va đập

của các phần tử lên bề mặt (vật liệu nền) kim loại cần được phun phủ.

Vấn đề thứ nhất: là năng lượng đông năng của các phần tử va đập lên bề mặt

phun gây ra lực tác động và biến dạng rất nhanh, mạnh. Năng lượng động năng này

được xã định bằng tốc độ của các phần tử và khối lượng của chúng.

2.

2

1vmEK (3.1)

Bởi vậy, các phần tử có tốc độ khác nhau sẽ có năng lượng động năng khác

nhau (khi chúng có cùng một tốc độ). Tốc độ bay của các phần tử là một nhân tố cho

việc xác định sự biến dạng của các phần tử. Amold tính toán tốc độ cần thiết cho một

vài kim loại khi va đập lên bề mặt chi tiết phun:

SttCvm

12

2

427.2

. (3.2)

Trong đó: m – khối lượng của phần tử phun (g), g

Gm . Khi G = 1 thì tốc độ

cần thiết cho việc tan vỡ khi va đập:

SttCv 1291 .

v – tốc độ của các phần tử khi va đập (m/s)

C – tỷ nhiệt (cal.g-1

.0C

-1)

t1 – nhiệt độ của phần tử kim loại trong thời điểm va đập trên bề mặt chi

tiết (0C)

t2 – nhiệt độ chảy của các phần tử kim loại (0C)


S – ẩn nhiệt (cal)

Vấn đề thứ hai: là cần quan tâm để xác định sự biến dạng của các phần tử, đó là

khả năng biến dạng của các phần tử. Lớp vỏ oxit trên các phần tử có ảnh hưởng rất

lớn đến tính chất này. Điều cần khẳng định rằng: trong thời điểm va đập lớp oxit là

lỏng thì trong trường hợp này không thể giữ được sự biến dạng của các phần tử và

ngược lại ở các phần tử có lớp oxit vỏ cứng thì khả năng biến dạng của nó chủ yếu

xác định bằng lớp vỏ bọc này.

Khả năng biến dạng của các phần tử thép với lớp màng bọc oxit ở trạng thái

lỏng phụ thuộc vào sự biến dạng của các phần tử trước, đồng thời nó không kết thúc

ngay mà còn xảy ra sự biến dạng tiếp theo do sự tác dụng của các phần tử sau. Sự biến

dạng của các phần tử xảy ra rất nhanh. Bởi vậy, khi các phần tử sau va đập lên các

phần trước khi các phần tử này vẫn đang còn ở trạng thái lỏng hoặc sệt, giữa chúng dễ

dàng xảy ra sự liên kết kim loại với nhau.

3.3.3 Cấu trúc của lớp phủ kim loại

Lớp phủ bằng kim loại có tính chất và thành phần khác hẳn với vật liệu ban đầu.

- Đặc trưng cơ sở của cấu trúc là những tấm kim loại với kích thước từ 0,1 0,2

mm và chiều dày là 0,005 0,01 mm. Các phần tử này có độ biến dạng khác nhau và

phân cách nhau bằng một lớp ôxyt mỏng với chiều dày 0,001 mm.

- Cấu trúc của lớp kim loại phủ có đặc trưng của cấu trúc bị nguội lạnh đột ngột.

Với lớp thép C (% C cao) thường có cấu trúc mactenxit cho đến bainit. Ngoài ra lớp

phủ còn chứa những phần tử nhỏ không biến dạng, những phần tử này khi va đập đến

bề mặt nền đã ở trạng thái rắn.

- Sự nguội lạnh của các phần tử xảy ra rất nhanh và bị tác dụng bởi tốc độ nguội

lạnh rất lớn, nên trong cấu trúc, ngoài dung dịch đặc Fe – C còn có dung dịch đặc Fe –

ôxyt, do vậy khi đông đặc xuất hiện trong mạng những trung tâm lệch mạng, ảnh

hưởng đến độ bám lớp phủ.

- Trong lớp phủ có hai loại ôxyt: Loại ôxyt được hình thành riêng biệt thường coi

là bất lợi, làm xấu tính chất cơ học của lớp phủ. Loại khác bao bọc xung quanh các

phần tử kim loại biến dạng làm nhiệm vụ liên kết các phần tử kim loại riêng biệt.

- Thành phần hóa học của lớp phủ kim loại cũng khác với thành phần của vật liệu

phủ ban đầu, thường thành phần hóa học ở lớp phủ giảm đi, đặc biệt là các nguyên tố

hợp kim.

Bảng so sánh thành phần hóa học của lớp phủ thép với dây phun

Vật liệu %C %Mn %Si %S


Dây phun 0,47 0,65 0,33 0,033

Lớp phủ 0,31 0,25 0,15 0,24

3.4 Độ bám dính và tính chất của lớp phủ kim loại

3.4.1 Các lực liên kết giữa lớp phủ và nền

Vấn đề độ bám lớp phủ bằng phun kim loại với vật liệu nền đến nay nhiều nhà

khoa học còn phải chú ý một cách đáng kể. Những nhận thức lý thuyết về độ bám lớp

phủ có thể tóm tắt gồm các vấn đề sau:

1/ Lực dính bám của hạt kim loại lỏng lên bề mặt các chất rắn

12 – Lực căng giữa giọt lỏng và chất rắn

23 – Lực căng giữa giọt lỏng và không khí

13 – Lực căng giữa chất rắn và không khí

- Góc căng giữa giọt lỏng và chất rắn

H 3.16. Sự dính bám của giọt lỏng trên vật rắn

1- Chất rắn; 2- Chất lỏng; 3- Không khí


Giả thiết hạt phun khi va đập vào bề mặt chi tiết có lớp vỏ ôxit đang ở trạng thái

lỏng, lúc đó sẽ có hiện tượng dính bám của một giọt lỏng lên bề mặt của chất rắn dựa

vào lực căng bề mặt của giọt lỏng đó và môi trường xung quanh nó.

Nếu gọi:

Để cho giọt lỏng giữ lại ở trạng thái cân bằng thì:

23

1213

231213

cos

cos.

(4.1)

Góc phụ thuộc vào bản chất của ba thể, nó thay đổi theo trạng thái và độ sạch

của bề mặt. Nếu góc căng của thể rắn và thể khí lớn hơn so với thể lỏng thì góc 0 <

< 900

- Khi cos > 0 giọt lỏng có dạng cụp vào (H1), khi đó giọt lỏng dính ướt bề mặt

chất rắn.

- Khi cos > 900

tức là 13 > 12 (tức góc là tù), giọt lỏng có dạng cong ra (H2).

Trường hợp này giọt lỏng không dính ướt bề mặt chất rắn. Vì cos không lớn, ta có:

231213 (4.2)

Đây là điều kiện dính ướt đối với bề mặt nhẵn.

Với bề mặt đã được làm nhám thì phương trình (4-1) có tính đến hệ số K. Hệ số

này là tỷ lệ giữa diện tích mặt nhám và diện tích bề mặt nhẵn.

p

n

S

SK (4.3)

Trong đó: Sn – diện tích mặt nhám

Sp – diện tích mặt nhẵn

Từ công thức (4-1) ta có:

cos... 231213 KK (4.4)

Khi đó có giá trị là 1.

1231213

1231213

cos..

cos...

K

KK (4.5)

H4.2. Hình dáng giọt lỏng

1- Dạng cụp vào; 2- Dạng cong

ra

Tạo rãnh theo đường trònn và đánh

nhám ở đỉnh


Và từ (4-1) ta có:

K

123

23

231213

cos.cos.

cos.

(4.6)

Hoặc: K.coscos 1

Khi K < 1 thì 1 > dính ướt kém hơn

Khi K > 1 thì 1 < dính ướt tốt hơn

Do làm nhám nên diện tích dính ướt tăng lên K lần, do đó K luôn luôn lớn hơn 1

và góc nhỏ hơn nên tạo điều kiện dính bám tốt hơn.

2/ Lực VanderWalls

Khi một phân tử hay một nguyên tử va vào bề mặt kim loại, giữa chúng có lực

liên kết phân tử VanderWalls. Lực này do tác dụng tương hỗ giữa hai mô men lưỡng

cực của hai nguyên tử hay phân tử. Khi trọng tâm điện tích của điện tử không trùng

với tâm điện tích của hạt nhân nguyên tử thì lúc đó nguyên tử thành một mô men

lưỡng cực. Giá trị và hướng của mô men thay đổi theo thời gian và giá trị trung bình

theo thời gian bằng không.

Nếu một phân tử hay nguyên tử có mô men lưỡng cực rơi vào trường của nguyên

tử khác cũng có mô men lưỡng cực thì giữa chúng có lực tác dụng. Theo Đebai thì

năng lượng trao đổi giữa chúng là :

TKrEw

.

1.

..

3

26

2212 (4.7)

Trong đó: 12, 22 – mô men lưỡng cực

r – khoảng cách giữa hai nguyên tử

T – nhiệt độ

Nhưng khi nguyên tử hay phân tử tác dụng với bề mặt kim loại thì năng lượng trao

đổi rất khó xác định bởi các nguyên tử kim loại nằm trong mạng liên kết với các

nguyên tử khác.

Dzon coi kim loại như một vật phân cực hoàn toàn, đã tính năng lượng trao đổi

theo phương pháp cổ điển của các lực tĩnh điện là;

31..2

..

rN

XCmE

a

e (4.8)

Trong đó: me – khối lượng điện tử

C – tốc độ ánh sáng

X – hệ số hấp thụ khí

Na – số Avogađro


Công thức tính năng lượng trao đổi trên ứng với bề mặt kim loại đồng nhất. Nhưng

thực tế cho thấy lực liên kết của những nguyên tử nằm ở chỗ lõm cao hơn so với các

nguyên tử nằm trên bề mặt, những nguyên tử nằm ở những hố sâu lực liên kết còn cao

hơn so với các nguyên tử nằm ở chỗ lõm, đặc biệt lực liên kết ở các đỉnh nhấp nhô là

thấp nhất. Điều này có thể giải thích là các nguyên tử nằm ở chỗ lõm liên kết với

nhiều nguyên tử nằm trong mạng tinh thể hơn, nên liên kết lớn hơn.

3/ Lực liên kết do ảnh hưởng của lớp điện tích kép

Trong quá trình chuyển động nhiệt các điện tử dẫn điện có thể chuyển động

vượt ra khỏi ranh giới của bề mặt và tạo thành một lớp mây điện tử ở bề mặt kim loại.

Giữa lớp mây điện tử và các nguyên tử tạo thành một lớp điện tích kép, một cực là

mây điện tử, cực kia là các nguyên tử ở bề mặt. Khi có hai kim loại tiếp xúc với nhau

thì do sự chênh lệch điện thế ở hai bề mặt, giữa chúng có lực điện tác dụng, lực đó

được tính theo công thức:

F = 2..2.S (4.9)

Trong đó: - diện tích riêng trên một diện tích của một lớp mây điện tử

S – diện tích tiếp xúc, diện tích này phụ thuộc vào lực làm cho hạt kim loại

bẹt lại ở vùng tiếp xúc.

Lực này phụ thuộc nhiều vào bản chất của kim loại, các yếu tố của bề mặt kim loại

tiếp xúc.

4.Liên kết kim loại

Khi hai kim loại tiếp xúc với nhau thì nguyên tử của kim loại này dưới ảnh

hưởng của các yếu tố nhiệt động khuyếch tán vào mạng của kim loại kia tạo thành

những vùng chuyển tiếp - đó là dung dịch rắn của cả hai kim loại. Khi đó ta nói giữa

chúng có mối liên kết kim loại. Mối liên kết này phụ thuộc vào nhiệt độ tiếp xúc và

trạng thái bề mặt của kim loại.

Bằng các công trình thực nghiệm các nhà nghiên cứu đã bổ sung những nhận

thức về độ dính bám của lớp phun phủ với kim loại nền bằng các hình thức sau:

H 3.17 . Quan hệ giữa độ

bám và độ nhấp nhô bề mặt

Thép

Nhôm

Kẽm

Đồng thau

Sức bền

(N/cm2)

4500

3500

2500

1500

500

0 4 8 12 16 20

24 ( m

)

H4.7. Năng lượng điện trên bề

mặt


- Bằng sự khuyếch tán của hai kim loại với nhau (kể cả khuyếch tán tế vi)

- Bằng sự hàn hoặc hàn tế vi với nhau

- Bằng sự liên kết của các phản ứng hóa học

- Bằng lực của sự co rút kim loại khi kết tinh

- Bằng độ bám cơ học

Độ bám cơ học được biểu thị như một sự giữ chặt các phần tử phun đập vào

những vị trí nhấp nhô của mặt kim loại nền. Độ bám này là một nhân tố quan trọng

đối với toàn bộ độ bám của lớp phủ.

Trong trường hợp nếu xét đến khuynh hướng sạch hoàn toàn của lớp bề mặt

trước khi phun phủ ta thấy rằng: bề mặt không làm sạch các bụi kim loại, các oxit, các

bụi bẩn khác hoặc độ nhấp nhô khác nhau ... có thể dẫn đến sự liên kết cũng khác

nhau bằng lực liên kết hoá học hoặc cơ học.

Trong những điều kiện phun thích hợp và hình thái không gian thích hợp, ở một

vài kim loại có thể đạt tới sự hàn ở từng điểm giữa kim loại nền và các phần tử phụ.

Khi nghiên cứu độ bám của lớp phủ kim loại và kim loại nền bằng cách phun

N.N.Rykalin đã chứng minh rằng ở từng vùng của bề mặt có thể chia làm ba giai đoạn

sau:

Tạo nên một mặt tiếp xúc, nghĩa là tạo nên sự dịch gần nhau của các nguyên tử

kim loại đến một khoảng cách đủ để có sự tác dụng hoá học.

Hoạt tính và sự tác dụng hoá học của các nguyên tử kim loại gần nhau sẽ đưa

đến hình thành mối liên kết hoá học bền vững.

Các quá trình phục hồi (kết tinh lại, khuyếch tán tạo pha mới ...) xảy ra tiếp

theo có thể nâng cao hoặc làm giảm sức bền của mối liên kết.

Trong hai giai đoạn đầu biểu hiện sự biến đổi bề mặt, giai đoạn ba biểu thị sự thay

đổi tính chất bên trong. Để tạo được liên kết bền vững giữa lớp phủ và vật liệu được

phủ cần thiết phải thực hiện tốt hai giai đoạn đầu còn sự khuyếch tán không nhất thiết

phải thực hiện ở giai đoạn ba. Giai đoạn này thường cho kết quả khi gia công nung

nóng ở nhiệt độ cao (hoặc ủ sau khi phun).

3.4.2 Những yếu tố ảnh hƣởng đến độ bám dính của lớp phủ

1/ Ảnh hưởng của lực co rút

Lực từ sự co rút của kim loại có ảnh hưởng đáng kể đến độ bám dính của lớp

phủ. Những phần tử kim loại sau khi va đập lên bề mặt cơ sở sẽ nguội dần theo thời

gian và trong lớp phủ xuất hiện ứng suất do sự co rút của kim loại phủ. ứng suất này

có thể làm tăng độ dính bám của lớp phủ, ngược lại cũng có thể làm giảm sự liên kết

của lớp phủ với kim loại nền.


- Khi phun những bề mặt hình trụ ngoài (VD các trục) lực sinh ra do sự co rút của

lớp phủ là các nội lực nên rất yếu, do vậy, ảnh hưởng của chúng không đáng kể. Tuy

nhiên, khi phun với lớp dày và kim loại có độ co rút lớn (VD thép 0,1%C) thì ảnh

hưởng của nội lực có thể dẫn đến sự nứt dọc trên lớp phủ.

- Khi phun lên các bề mặt trụ trong nội lực sinh ra do sự co rút có ảnh hưởng xấu

đến độ bám lớp phủ. Trường hợp này sự co rút tác dụng theo hướng tâm, gây nên sự

tách rời lớp phủ với lớp bề mặt cơ sở.

Để khắc phục những điểm trên, có nhiều biện pháp: chi tiết phải được nung nóng

sơ bộ, làm nguội lớp phủ từ từ hoặc phun với các lớp phủ mỏng 0,05 0,1mm và

ứng với mỗi lớp phải được làm nguội chậm.

- Khi phun lên các bề mặt phẳng, ứng suất sinh ra do sự co rút kim loại lớp phủ có

thể dẫn đến sự biến dạng lớp phủ, kim loại nền (tấm mỏng thường bị cong vênh), làm

bong, tróc lớp phủ.

Ta xét một phần tử nhỏ lớp phủ AB có chiều dài l, chiều cao h với diện tích tiết

diện △S. Có thể coi đó là một thanh được gắn trên đường thẳng AB.

Giả thiết nhiệt độ của phần tử trong thì gian va đập là t2, nhiệt độ của môi

trường xung quanh là t3, ứng suất sinh ra trong lớp phủ:

)/(. 2

32 mNEttt (4.10)

l

h

H 3.18. Quan hệ giữa độ bám và độ nhấp nhô bề mặt

Thép

Nhôm

Kẽm

Đồng thau

Sức bền

(N/cm2)

4500

3500

2500

1500

500

0 4 8 12 16 20 24 ( m

)

H4.7. Năng lượng điện trên bề mặt

H 3.19 . Quan hệ giữa độ bám và độ nhấp nhô bề mặt

Thép

Nhôm

Kẽm


Trong đó: t – hệ số giãn nở nhiệt của kim loại 1/grad)

E – mô đun đàn hồi của kim loại phủ (N/m2)

Vì lớp phủ có chiều dày nhỏ hơn nhiều so với mặt đáy cho nên ta có thể bỏ qua

sự biến dạng tiếp theo khác. Do vậy, sẽ co ngắn lớp phủ khi làm nguội:

32.. ttll t (4.11)

Do có sự co ngắn l cho nên trong lớp phủ sẽ sinh ra ứng suất kéo:

)/(. 2mNl

lE (4.12)

Lực tách lớp phủ (theo các mép) khỏi bề mặt chi tiết:

)(. NSP (4.13)

Từ đó ta có:

)(..32 NSEttP t (4.14)

Từ phương trình này ta thấy sự tăng nhiệt độ của các phần tử trước lúc va chạm thì

ứng lực có khuynh hướng làm tách lớp phủ ra khỏi nền cơ sở sẽ tăng lên.

2/ Ảnh hưởng của trạng thái bề mặt cơ sở (nền)

Khi nghiên cứu độ bám dính của lớp phủ kim loại với vật liệu nên cần thiết phải

nói đến hoạt tính của bề mặt nền, hoạt tính này có ảnh hưởng lớn đến độ bám lớp phủ.

Hoạt tính của bề mặt được đánh giá bằng trạng thái vật lý và năng lượng. Nguyên

tử trong kim loại ở trường hợp lý tưởng bố trí ở trong các mạng và dao động xung

quanh vị trí của nó.

Nhưng nếu xét về vị trí của nó, các nguyên tử trên bề mặt khác với các nguyên tử

bố trí ở phía trong. Hình dưới biểu thị sự bố trí nguyên tử trên bề mặt chúng có mức

năng lượng khác nhau.

Nguyên tử 4 ở mặt cấu trúc không bị phá

vỡ có mức năng lượng thoát lớn nhất.

Ngược lại, những nguyên tử ở trong

những lớp không liên tục (nguyên tử 1)

có giá trị năng lượng nhỏ nhất.

H 3.20. Sự bố trí nguyên tử trong mạng

Nguyên tử trên bề mặt liên kết với nhau có năng lượng thoát khỏi tăng khi tổng số

các nguyên tử xung quanh giảm. Do sự không đồng đều về năng lượng làm xuất hiện

ứng suất bề mặt, ứng suất này sinh ra có liên quan đến sự phát sinh, tồn tại ưng suất

của các lớp xung quanh của mạng. Ngoài ra ta biét các nguyên tử bề mặt có những


đặc điểm khác với các nguyên tử bên trong, vì nó có mối tiếp xúc với các nguyên tử

ngoại lai kể cả trong trường hợp là phân tử.

Do những đặc điểm của lớp bề mặt mà thấy rằng: năng lượng toàn bộ của tất cả

các phần tử bề mặt sẽ tham gia vào trong các phản ứng với các nguyên tử ở trong các

môi trường gần với bề mặt (như lớp phủ). Nguyên nhân là trên bề mặt kim loại cũng

không đồng đều về năng lượng, những khu vực có năng lượng thấp và năng lượng cao

sẽ sinh ra hiện tượng chênh lệch về năng lượng. Vùng năng lượng cao có hoạt tính cao

hơn và tự phản ứng với môi trường. Sau đó, theo loại môi trường và tính chất lý hoá

của vật liệu nền có thể sinh ra sự hấp thụ, sự dính và các phản ứng hoá học khác

Những vùng khác nhau về năng lượng không chỉ tạo ở trong cấu trúc vĩ mô mà

còn ngay ở trong phạm vi nguyên tử. Năng lượng của một số nguyên tử trên tụ tập

trên bề mặt có thể là cao và như vậy trong điều kiện nhất định sẽ rời khỏi bề mặt.

Năng lượng cần thiết để tách một nguyên tử từ mạng của chúng được gọi là năng

lượng thoát hay năng lượng hoạt tính tách rời của nguyên tử.

Sự biến động (biến dạng dẻo) của mạng có ảnh hưởng đến sự tăng hoạt tính bởi vì

trong phạm vi mở rộng sự biến dạng dẻo sẽ tích luỹ năng lượng điện năng. Những

vùng giàu năng lượng điện năng thường ở trong những vùng trực tiếp của những vị trí

khuyết của mạng tinh thể.

Các khuyết tật trong mạng có thể bao gồm:

- Khuyết tật điểm: Các vị trí rỗng trong mạng, các nguyên tử thay thế

- Khuyết tật đường (lệch mạng): Lệch mạng đường, lệch mạng xoắn

- Vị trí khuyết tật dạng mặt (theo 2 chiều): Bề mặt biên giới, biên giới hạt,

biên giới của song tinh

- Vị trí khuyết tật theo kích thước ba chiều

+ Các lỗ xuất hiện do bên ngoài tác dụng ở gần bề mặt hoặc ở phía trong

+ Các khe hở tế vi, các lỗ xốp tế vi.

3/ Ảnh hưởng của chuẩn bị bề mặt

Từ những khái niệm về độ bám của lớp phủ kim loại hoặc phi kim loại đối với vật

liệu nền thấy rằng: độ bám phụ thuộc vào hình dạng tế vi lớp bề mặt. Độ nhấp nhô

này sẽ giữ chặt các phần tử kim loại, mặt khác độ bám phụ thuộc vào hình dạng hình

học của bề mặt

Vậy chuẩn bị bề mặt là một nhân tố quyết định ảnh hưởng đến chất lượng của lớp

phủ kim loại. Chuẩn bị bề mặt trước khi phủ chủ yếu là làm sạch và tạo nhấp nhô bề

mặt. Có rất nhiều phương pháp chuẩn bị bề mặt:

- Chuẩn bị bằng phương pháp ngâm: trên cơ sở cơ cấu tác dụng hoá học của ngâm

sẽ dẫn đến nâng cao hoạt tính bề mặt, trong đó sự thay đổi hình dáng hình học chỉ


đóng vai trò thứ yếu. Trên bề mặt sẽ hình thành một lớp màng mỏng, lớp này có thể

giữ được hoạt tính cao của bề mặt trong thời gian dài, hoạt tính này biểu hiện trong

việc giảm công thoát ra khỏi bề mặt của các điện tử, tức là làm cho các điện tử dễ

thoát ra ngoài hơn.

Hoạt tính là bản chất lý hoá cho nên trong một số trường hợp có ảnh hưởng đến độ

bám của lớp phủ. Độ bám ở đây được tạo nên do tác dụng tương hỗ giữa các phần tử

bằng lực liên kết VanderWalls.

- Chuẩn bị bề mặt bằng phương pháp cơ học như phun cát, phun bi: sẽ nâng cao

được năng lượng điện trên bề mặt và cả lớp dưới bề mặt. Hoạt tính bề mặt sau khi

chuẩn bị sẽ giảm dần theo thời gian vì do phản ứng của môi trường xung quanh hoặc

do sự hấp thụ của môi trường làm giảm năng lượng tự do của bề mặt.

Đứng về quan điểm độ nhấp nhô tế vi của bề mặt thực tế cũng như lý thuyết đã

chứng minh rằng: độ nhấp nhô rất nhỏ được tạo nên bằng cách ngâm vào hoá chất chỉ

có thể dùng cho quá trình hoá lý nhất định nào đó (VD như dán kim loại …), còn các

hình thức như phun phủ kim loại phải tạo nên độ nhấp nhô bề mặt bằng phương pháp

cơ học như gia công cơ học cắt gọt, phun cát, phun bi…

Từ những khái niệm trên, ta thấy rằng sự

phụ thuộc nhất định giữa trạng thái bề mặt và

hoạt tính bề mặt có ảnh hưởng đến độ bám

của lớp phủ.

Xét về ảnh hưởng hình dạng tế vi bề mặt

thấy rằng: Độ bám của lớp phủ kim loại phụ

thuộc vào độ nhấp nhô của vật liệu nền,

đặc trưng bằng hình dạng hình học và độ

lớn của bề mặt thực tế. Những kết quả thí nghiệm đã cho thấy độ bám của lớp phủ

tăng cùng với sự tăng của độ nhấp nhô bề mặt, nhưng sự tăng đó chỉ đến một phạm vi

giới hạn nhất định, giới hạn này tuỳ thuộc vào vật liệu phun và vật liệu nền.


Hiệu quả sau khi chuẩn bị bề mặt bằng các phương pháp cơ học dẫn đến các kết

quả:

- Tạo nên bề mặt có hoạt tính cao.

- Tạo nên độ nhấp nhô tế vi (Rz).

- Tạo nên biến dạng dẻo () và độ biến cứng (H/H).

- Tạo mật độ lệch mạng ( - 0).

4/ Ảnh hưởng của cấu trúc hình thành lớp phủ

Các phần tử kim loại trong chùm tia phun va đập trên bề mặt cơ sở dưới những

góc độ khác nhau. Sự va đập thẳng góc được coi là lý tưởng chỉ xảy ra ở trung tâm

của chùm tia. Còn các phần tử khác bên ngoài va đập lên bề mặt dưới một góc nhỏ

hơn 900. Điều đó cho thấy: trong tất cả các vị trí của chùm tia phun sẽ không đồng

đều, nên cấu trúc của mỗi lớp xuất hiện trong tất cả các tiết diện cũng khác nhau.

Bổ sung thêm hình :

H 3.21. Sự hình thành cấu trúc lớp phủ

.

Quan hệ

giữa độ bám

và độ nhấp

nhô bề mặt

Thép

Nhôm

Kẽm

Đồng

thau

Sức bền

(N/cm2)

4500

3500

2500

1500

500

0 4 8

12 16

Hìn

h 4.8.

Quan hệ

giữa độ

bám và độ

nhấp nhô

bề mặt

Thé

p

Nhô

m

Kẽ

m

Đồn

g thau

Sức bền

(N/cm2)

4500

3500

2500

1500

. Quan hệ giữa độ bám và độ nhấp nhô bề

mặt

Thép

Nhôm

Kẽm

Đồng thau

Sức bền

(N/cm2)

4500

3500

2500

1500

500

0 4 8 12 16 20 24 ( m

)

. Quan hệ giữa độ bám và độ nhấp nhô

bề mặt

Thép

Nhôm

Kẽm

Đồng thau

Sức bền

(N/cm2)

4500

3500

2500

1500

500

0 4 8 12 16 20 24 ( m

)

H4.7. Năng lượng điện trên bề mặt


Khi dịch chuyển đầu phun từ trái sang phải trên bề mặt của chi tiết bắt đầu phủ

bằng lớp của các phần tử biên (2), các phần tử này tạo ra lớp mỏng (3) (gọi là lớp

trung gian). Đầu phun tiếp tục dịch chuyển vào chi tiết, các phần tử trung tâm (1)

(vuông góc với đầu phun) sẽ phủ lên lớp trung gian (3) tạo ra lớp cơ sở (4) và đồng

thời các phần tử biên ngoài (2) lại tạo ra lớp trung gian mới (5) giống như lớp trung

gian trên bề mặt chi tiết (3). Chính các lớp trung gian làm giảm chất lượng của lớp

phủ. Đối với các lớp phủ quan trọng, để tránh điều này ta có thể dùng các đồ gá tách

các phần tử biên ra khỏi chùm tia phun.

Độ bám của lớp phủ xác định bằng mối liên kết tác dụng hoá học qua lại của các

phần tử và bằng sự nâng cao khả năng biến dạng của chúng trong thời điểm va đập và

bằng sự giảm số lượng oxit trên bề mặt các phần tử. Bởi vậy, độ bám của lớp trung

gian là nhỏ nhất so với độ bám của lớp cơ sở với vật liệu nền.

Từ đó thấy sự khác nhau về cấu trúc lớp và sự phân bố thể tích kim loại trong

chùm tia phun không đồng đều có ảnh hưởng đến độ bám không đồng đều của lớp

phủ kim loại:

- Phía giữa chùm tia phun có sự tập trung nồng độ lớn nhất và ở vùng này biểu thị

các thông số có lợi nhất của các phần tử.

- Khu vực biên được tạo thành những phần tử với năng lượng động năng nhỏ nên

không có sự biến dạng, có nhiều lớp oxit và tạo nên nhiều lỗ xốp.

Theo Pasin lớp phun kim loại được tạo từ những phần tử trung tâm có độ bám cao

gấp 6 lần so với độ bám của các phần tử ở biên.

3.4.3. Tính chất của lớp phủ

1/ Tính chất cơ học của lớp phủ

Tính chất cơ học được đặc trưng bằng độ bền kéo (k), độ bền nén (n), độ bền

uốn (u) và mô đun đàn hồi (E).

- Độ bền kéo của lớp phủ phụ thuộc vào sự liên kết giữa các phần tử của lớp phủ

và sự liên kết giữa các phần tử phun và lớp vật liệu nền. Nói chung độ bền kéo của lớp

phủ nhỏ hơn nhiều so với độ bền kéo của vật liệu ban đầu.


Bảng : Giá trị độ bền kéo của các loại vật liệu lớp phủ

Vật liệu Giới hạn bền kộo

Vật liệu ban đầu Lớp phủ

Thép ít các bon 5,1.108 1,27.10

8ữ1,96.10

8

Đồng M1 1,78.108 0,57.10

8ữ1,08.10

8

Nhôm A2 1,11.108 0,29.10

8ữ0,49.10

8

Kẽm 1,01.108 0,34.10

8

Đồng 3,10.108 0,25.10

8

- Độ bền nén của lớp phủ lớn hơn độ bền kéo của lớp phủ khoảng 40 70%. Tuy

nhiên độ bền nén này vẫn kém hơn độ bền nén của vật liệu ban đầu do trong lớp phủ

còn rất nhiều lỗ xốp. Độ bền nén cũng phụ thuộc vào chế độ phun: lớp phủ là thép thì

n = 800 1200N/mm2, là nhôm thì n = 200N/mm

2, là kẽm thì n = 130N/mm

2.

- Độ cứng của lớp phủ khác với độ cứng của vật liệu ban đầu rất nhiều, thường thì

độ cứng của lớp phủ cao hơn. Sự tăng độ cứng là do tác dụng của dòng khí nén lạnh

và bề mặt nền nguội lạnh làm cho các phần tử phun bị tác dụng như nhiệt luyện. Mặt

khác, sự va đập gây ra sự biến dạng, sẽ làm biến cứng của các phần tử và của lớp

phủ. Tuy nhiên, nguyên nhân chính tăng độ cứng là do sự oxy hóa vật liệu phun, chất

lượng của vật liệu nền.

Thép 20 40 10

Độ cứng HB 187 229 286

Do độ cứng của lớp phủ lớn nên không sử dụng lớp phủ trong điều kiện tải trọng

động, nếu không lớp phủ sẽ bị tróc.

2/ Tính chất chống mài mòn của lớp phủ

Khả năng chống mài mòn của lớp phủ phụ thuộc vào trạng thái ma sát:

- Trong điều kiện ma sát khô, lớp phủ bằng phun kim loại có độ mài mòn cao hơn

rất nhiều so với vật liệu cơ bản do các phần tử phun có độ bám liên kết với nhau

tương đối thấp cho nên chúng dễ bị tróc ra. Vì vậy, không sử dụng lớp phủ trong

trường hợp chịu ma sát khô.

- Trong điều kiện ma sát ướt thì lớp phủ chịu mài mòn tốt hơn vật liệu cơ bản.

Nguyên nhân là do trong lớp phủ có rất nhiều lỗ xốp, các lỗ xốp này chính là các túi

ngậm dầu (có thể ngậm dầu đến 15%) và tạo ra những túi đựng dầu nhỏ dự trữ. Trong

trường hợp màng dầu bị phá hủy, dầu từ các lỗ xốp sẽ được khuyếch tán và tạo ra cac

màng dầu thay thế.

Cần chú ý là nếu lớp phủ được gia công tiếp bằng phương pháp mài thì khả năng

hấp thụ dầu sẽ giảm đi do các lỗ xốp bị đóng kín hoặc các bụi chiếm chỗ.


VD: khi phun lớp phủ bằng thép cacbon, đem ngâm vào dầu sau 100 giờ sẽ hấp

thụ 11,1% dầu, nhưng nếu đem gia công bằng phương pháp mài thì còn 5,4%.

Thông thường trước khi lớp phủ được gia công cơ, đem ngâm vào bể dầu được sấy

nóng 80 1000C sau thời gian từ 0,5 10 giờ để các lỗ xốp hấp thụ dầu.

Khi các ổ trượt được phủ lớp KIM LOạI làm việc trong điều kiện ma sát ướt, tải

trọng làm việc có thể tăng lên từ 3 4 lần (17,7 19,2 N/mm2thay cho 4,5 5,2

N/mm2).

3/ Khả năng chống oxy hoá của lớp phủ

Lớp phủ được sử dụng rộng rãi để chống oxy hóa (oxy hóa trong môi trường

điện phân và oxy hóa nhiệt). Nó có rất nhiều ưu điểm so với các phương pháp khác,

nhưng phải sử dụng chính xác bề mặt phun kim loại trong các điều kiện cụ thể. Bởi vì

lớp phủ kim loại có đặc tính xốp nên chiều dày lớp phủ được định bởi phương pháp sử

dụng. Nếu chiều dày lớp phủ mỏng thì ở áp suất khí quyển cũng dễ dàng cho chất khí

hoặc chất lỏng thấm thấu qua, nhưng nếu chiều dày lớn hơn thì khả năng đó không

thực hiện được.

Do kim loại cơ sở, kim loại lớp phủ là khác nhau và tác động của môi trường nên

ảnh hưởng của tính chất điện hóa là rất lớn: Trong lớp phủ tạo bằng phun kim loại, do

có các lỗ xốp nên khi tiếp xúc với các môi trường không khí ẩm, các dung dịch… dễ

dàng tạo ra môi trường điện phân. Trong môi trường điện phân, sự nối mạch 2 kim

loại dẫn điện khác nhau sẽ tạo nên các cặp vi pin và sẽ xảy ra quá trình oxy hóa. Khả

năng bị oxy hóa phụ thuộc vào thế điện hóa của các kim loại hay ion. Lớp phủ có thể

đóng vai trò anod hy sinh để bảo vệ lớp vật liệu nền. Tuổi thọ của chúng phụ thuộc

vào chiều dày lớp phủ, độ xốp và độ nhấp nhô của chúng.

Thường trong lĩnh vực chống ăn mòn điện hoá (chống gỉ) cho các kết cấu, chi tiết

bằng thép nên dùng lớp phủ là nhôm hoặc kẽm. Chúng sẽ đóng vai trò như những lớp

bảo vệ anôt và ảnh hưởng của các lỗ xốp là không đáng kể nên khả năng chống ăn

mòn điện hoá là rất tốt.

4/ Tính chịu nhiệt của lớp phun kim loại

Để bảo vệ chống nhiệt cho các chi tiết bằng thép cacbon thấp, thường sử dụng

lớp phủ bằng nhôm, nó có khả năng chịu đến 950oC và thời gian chịu nhiệt cũng dài

hơn. Nguyên nhân là do các phần tử nhôm khuếch tán vào thép, mặt khác các phần tử

nhôm trên bề mặt bị ôxy hoá. Do vậy trên bề mặt thép có lớp nhôm bảo vệ gồm nhiều

lớp:

- Lớp ngoài là lớp ôxyt nhôm có khả năng chịu nhiệt cao – nhiệt độ chảy là

21000C. Tuy nhiên lớp này liên kết rất yếu với bề mặt nên khoảng 800

0C thì chúng dễ

dàng bong ra khi có sự biến dạng kim loại


- Tiếp theo là lớp của hợp kim sắt và nhôm.

Để nâng cao tuổi thọ của lớp phủ chịu nhiệt, thường phải tiến hành ủ để cho có

sự liên kết khuếch tán giữa các lớp phủ với nhau và giữa lớp phủ với kim loại cơ bản,

và mặt khác có thể tiến hành sơn lớp phủ.

Khả năng chịu nhiệt của lớp phủ phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc của chi tiết

phủ và thời gian làm việc. Trong điều kiện nhiệt độ cao, tuổi thọ của chi tiết thép có

lớp phủ cao hơn khoảng 5 20 lần so với chi tiết không có lớp phủ.


3.5 Quy trình công nghệ phun phủ

H5. 1.

Quy trình công nghệ phun phủ

Các bước thực hiện trong quy trình công nghệ phun phủ bao gồm:

- Phân tích kết cấu, vật liệu, điều kiện làm việc cảa bề mặt phun.

- Xác định vật liệu phun.

- Chuẩn bị bề mặt trước khi phun phủ.

- Công nghệ phun phủ.

- Gia công cơ khí sau khi phun, xử lý nhiệt lớp phủ (nếu cần).

- Kiểm tra chất lượng lớp phủ về độ cứng, kích thước, độ bám dính, các yếu tố

khác.

Trong từng trường hợp cụ thể thì một số công đoạn có thể bỏ qua hoặc một số

bước có thể ghép lại đồng thời.

3.5.1. Kiểm tra kết cấu, vật liệu

Đối với từng chi tiết cụ thể cần kiểm tra mác nền, độ cứng, kích thước… để chọn

vật liệu phun và công nghệ thích hợp.

Tùy theo kết cấu của chi tiết mà ta xác định cách gá kẹp và kỹ thuật phun.

3.5.2. Vật liệu phun

Vật liệu phun có thể là dạng dây hoặc dạng bột. Dạng dây dùng trong phun khí

cháy, hồ quang điện; dạng bột dùng trong phun khí cháy, phun nổ, phun plasma.

Kiểm tra thông số VL nền

Công nghệ

chuẩn bị bề mặt

Chuẩn bị

VL phun

Phun phủ

Gia công nhiệt

hoặc nhiệt hoá lớp phủ

Gia công cơ khí

Kiểm tra chất lượng

Lớp phủ và sản phẩm


Vật liệu dạng dây khó hợp kim hoá lớp bề mặt phun bởi lẽ không thể thêm các

thành phần nguyên tố hợp kim vào dây phun mà chỉ có thể chọn một loại dây phun

xác định. Vật liệu dạng bột được trộn từ các thành phần nguyên tố khác nhau đem

nghiền nhỏ vì vậy ta có thể trộn thêm các thành phần nguyên tố hợp kim khác tuỳ theo

yêu cầu cơ học lớp bề mặt. Tuy nhiên vật liệu dạng bột không dùng được cho phương

pháp phun phủ hồ quang điện.

Vật liệu dạng dây sẽ khó khăn hơn trong việc nung chảy và thổi vào lớp bề mặt so

với vật liệu dạng bột, nó yêu cầu công suất nung chảy lớn hơn và áp suất khí thổi cao

hơn.

Tính chất vật liệu phun tuỳ thuộc vào tính chất của lớp bề mặt yêu cầu. Với bề mặt

chống mài mòn cần vật liệu có độ cứng cao. Hàm lượng cacbon càng cao thì độ cứng

lớp bề mặt càng tăng do sự hình thành tổ chức mactenxit triệt để. Với bề mặt chống ăn

mòn cần vật liệu có khả năng tạo nên lớp bề mặt bền hoá học với môi trường ăn mòn.

3.5.2.1. Vật liệu phủ dạng dây

Kim loại dùng làm vật liệu phun thường ở dạng dây hoặc bột được sản xuất từ các

nhà máy luyện kim theo đơn đặt hàng.

Bảmg 5.1. Vật liệu dạng dây thường được dùng trong phun phủ

Vật liệu Thành phần Đường kính dây

(mm)

Chì– Pb Loại cứng 2,5

Kẽm –Zn Zn 99,65% 2,5

Nhôm – Al Al 99,65% 2,5

Hợp kim nhôm

Al-Mg(6-8% Mg)

Al-Mn(1,5%Mn)

2,5

2,5

Đồng – Cu; Đồng thau Cu 99,65% 2,5

2,5

Thép

0,1%C

0,25%C

0,8%C

2,5

2,5

2,5

Niken – Ni – 2,0

Thiếc – Sn Loại cứng 2,5

Thép không gỉ – 2,5

- Thép: ngoài các loại trên, trong thực tế còn dùng nhiều loại khác để đạt được các

mục đích yêu cầu. Thông thường dùng các loại dây thép có thành phần cacbon từ 0,1

0,8%C với thành phần hoá học theo bảng sau.


Bảng 5.2. Thành phần hoá học của các loại dây thép

Vật liệu S(%) P(%) Si(%) Mn(%) Cr(%)

Thép 0,1%C 0,01 0,02 0,03 0,3 0,03

Thép 0,25-0,28%C 0,01-0,02 0,03 0,03 0,3 0,03

Thép 0,65-0,8%C 0,02 0,01 0,26 0,35 0,03

- Thép với 0,1%C có ưu điểm là phun dễ và sau khi phun xong gia công cắt

gọt dễ, nhược điểm là độ co lớn, dễ sinh nứt lớp phun khi chiều dày lớp phun

lớn hơn 2 mm.

- Thép với 0,25%C dùng cho các lớp yêu cầu cần đạt độ cứng cao hơn, khả

năng sinh nứt lớp phủ ít hơn, sức bền chịu kéo của lớp phủ đạt khoảng 240

N/mm2.

- Thép với 0,8%C dùng để phun các lớp phủ dày vì nó có ưu điểm là độ co nhỏ,

nhược điểm là độ cứng cao nên chỉ có thể gia công bằng phương pháp mài

hoặc dùng các loại dao hợp kim như TK.

Với thành phần cacbon khác nhau sẽ cho dạng tia phun cũng khác nhau.

- Thép cacbon và hợp kim thấp của thép cacbon: dùng để tăng cứng bề mặt và

tăng khả năng chịu mài mòn cho các chi tiết máy.

- Thép chịu ăn mòn gồm: thép mactenxit và austenit.

+ Thép mactenxit: lớp phủ có khả năng chống ăn mòn và chịu mài mòn.

+ Thép austenit: lớp phủ có khả năng chống ăn mòn cao.

Nhiệt độ chảy của kim loại dây phun có ảnh hưởng đến việc chọn tốc độ dịch

chuyển dây, chọn lưu lượng khí cháy và kỹ thuật phun.

- Nhôm (Al): lớp phủ nhôm dùng để bảo vệ kim loại đen không bị oxi hóa. Dây

được phủ bằng nhôm có thể dùng làm dây dẫn điện. Ngoài ra, lớp phủ nhôm có thể

dùng để chống cháy và dùng cho những mối tiếp xúc trong các thiết bị điện tử.

- Kẽm (Zn): được dùng để chống ăn mòn cho kim loại đen.

- Đồng (Cu) và hợp kim đồng: lớp phủ có chất lượng rất tốt, thường dùng trong kỹ

thuật điện để mạ dây điện, chống oxi hóa, chịu mài mòn…, nhưng công nghệ phun

đồng nguyên chất là rất khó, nên thường dùng hợp kim đồng nhôm.

- Thiếc (Sn) và hợp kim thiếc: lớp phủ có khả năng chịu axit, chống oxi

hóa…

- Molipđen (Mo): lớp phu có khả năng bám dính tốt với bề mặt thép, do vậy

thuờng được làm lớp phủ lót. Ngoài ra, lớp phủ này còn có khả năng chịu được môi

trường muối, axit nóng…

- Bạc (Ag): lớp phủ thường dùng để phủ các tiếp điểm điện…


3.5.2.2. Vật liệu phủ dạng bột

Đối với bột phun cần kiểm tra các thông số chính như cấp hạt, hình dáng, độ chảy.

Cấp hạt thường được đánh giá bằng cách dây qua sàng, hình dáng hạt được kiểm tra

trên kính hiển vi, còn độ chảy của một số bột có thể xác định theo tiêu chuẩn. Trong

một số trường hợp còn kiểm tra các tính chất khác như thành phần hoá học, thành

phần pha, tỷ trọng...

Vật liệu dạng bột thường được dùng trong phun phủ:

- Nhôm, kẽm, đồng, crôm, niken… và các hợp kim của chúng (Co - Cr, Ni -

Cr…).

- Ceramic: gồm các oxit kim loại (Al2O3, ZrO2, CaO, MgO, TiO2…), oxit bán

kim loại (SiO2), các cacbit (WC, TiC, TaC…) tạo nên lớp phủ có khả năng chịu mài

mòn cao, chịu nhiệt.

- Compozit, thường được trộn với kim loại, hợp kim… để phát huy các ưu

điểm của chúng hoặc có thể dùng để tạo lớp phủ cách điện.

Bột dùng để phun phải được chuẩn bị trước, gồm các công đoạn sấy bột và

phân cấp hạt. Thường bột kim loại được sấy ở nhiệt độ 120 1500C trong thời gian từ

1 3 giờ, với bột gốm nhiệt độ sấy cao hơn khoảng 700 8000C và thời gian từ 4 – 5

giờ.

3.5.3. Công nghệ chuẩn bị bề mặt trƣớc khi phun

Điều kiện đầu tiên để đạt được một lớp phủ bề mặt có chất lượng tốt bằng phun

phủ là sự chuẩn bị bề mặt nền. Bề mặt nền phải được chuẩn bị bằng một phương pháp

và quy trình thích hợp để đảm bảo đạt đượcc độ bám dính yêu cầu của lớp phủ.

Độ bám của lớp phủ lên bề mặt nền phụ thuộc rất lớn tới độ nhám và hoạt tính

bề mặt, đặc trưng của độ nhám và hoạt tính bề mặt sẽ khác nhau ở mỗi trường hợp

chuẩn bị. Do vậy, việc chuẩn bị ban đầu bề mặt trước khi phun có một ý nghĩa rất

quan trọng.

Chuẩn bị bề mặt có nhiều phương pháp và được chia làm hai công đoạn chính:

- Làm sạch bề mặt.

- Tạo nhám bề mặt.

Cùng một mục đích làm sạch bề mặt, hay tạo nhám bề mặt nhưng lại có nhiều

phương pháp để thực hiện. Tuỳ thuộc vào vật liệu nền và yêu cầu về độ nhám, ta cần

lựa chọn phương pháp làm sạch và phương pháp tạo nhám cho thích hợp; nếu cần

thiết, có thể phối hợp nhiều phương pháp làm sạch và tạo nhám trên cùng một bề mặt.

Quy trình chuẩn bị bề mặt theo sơ đồ sau:


H 3.22. Quy trình công nghệ chuẩn bị bề mặt

3.5.3.1. Làm sạch bề mặt

Là một khâu không thể thiếu trong quá trình chuẩn bị bề mặt bởi lẽ bề mặt vật

luôn dính dầu, mỡ, bụi bẩn… các chất này sẽ làm ảnh hưởng tới chất lượng bề mặt

phun do vậy cần được tiến hành trước khi phun phủ.

Thường làm sạch bề mặt vật bằng các phương pháp sau:

- Dùng các chất hoà tan hữu cơ và dung dịch kiềm: Sau khi làm sạch bằng

dung dịch hoà tan hữu cơ, thường trên bề mặt của vật có một lớp dầu rất mỏng, lớp

dầu này không còn tác dụng gây hại cho lớp phủ bảo vệ. Các dung dịch kiềm nước có

chứa khoảng 2 – 10% chất kiềm (hydroxyt kiềm, nitratfòat, nước thuỷ tinh ...) với tỷ

lệ khác nhau và có cho thêm vào một lượng rất nhỏ (vài phần nghìn) chất làm ướt với

mục đích để giảm ứng suất bề mặt giữa dung dịch nước và dầu. Dùng các dung dịch

này, dầu khoáng vật sẽ hoà tan thành các giọt nhỏ trong dung dịch nước và các lớp mỡ

sẽ bị phá vỡ và khử sạch.

Phương pháp này thường tiến hành ở nhiệt độ 70 1000C và dùng cho phần

lớn các kim loại. Sau khi làm sạch trong dung dịch hoà tan phải làm sạch tiếp theo

bằng cách nhúng vào nước sạch để bề mặt được khử nốt những chất bẩn còn lại.

Gia

công hồ

quang (gại

điện)

Tạo

ren

đứt

đoạn

Gia công cơ khí sơ bộ

Tạo ren

Nhá

m

H4.2. Hình

dáng giọt lỏng

1- Dạng cụp

vào; 2- Dạng

cong ra

Tạo rãnh theo

đường trònn và đánh

nhám ở đỉnh

Tẩy dầu mỡ

Tẩy, rửa chi tiết,

Kiểm tra khuyết

tật

Phun hạt bằng khí áp

lực

Chống dính bề mặt

Không cần phun

Phun phủ


- Làm sạch bằng cách điện phân trong dung dịch kiềm (sử dụng cho bề mặt nền

kim loại); Với mục đích sử dụng tác dụng phân ly để làm sạch. Vật được nối với cực

âm, dưới tác dụng của dòng điện, trên bề mặt của kim loại sẽ có các hyđrôxyt thoát ra.

VD: Na và lập tức chúng phản ứng với nước tạo ra Na(OH)2 đậm đặc và hyđrô, các

hyđrôxyt này làm sạch dầu mỡ bằng các tác dụng hoá học của mình. Phương pháp

làm sạch bằng điện phân là phương pháp duy nhất cho bề mặt sạch hoàn toàn nhưng

nhược điểm của nó là thiết bị phức tạp.

- Ngâm kim loại: Là phương pháp làm sạch bằng hoá chất, các bề mặt kim loại

sẽ được khử các chất bẩn vô cơ như các ôxyt, các vẩy, gỉ, nhưng trước khi ngâm vật

phải được làm sạch dầu mỡ.

Ngâm làm sạch thép thường dùng 10 20% dung dịch nước axit lưuhuỳnh và

nung nóng đến 40 700C hoặc dùng dung dịch axyt có muối với nồng độ như trên và

ở nhiệt độ bình thường.

Các ôxyt bị khử sẽ hoà tan trực tiếp vào dung dịch axyt ở những nơi có rỗ khí,

khe nứt. Dung dịch sẽ thấm vào đấy cho đến lớp kim loại và hoà tan cả kim loại.

3.5.3.2. Tạo nhám bề mặt trƣớc khi phun phủ

Nguyên công này đảm bảo độ bền và độ dính kết của lớp phủ với bề mặt của chi

tiết được phủ. Một số phương pháp tạo nhám bề mặt: phun bi, phun cát, phun các loại

hạt mài, cắt ren, gia công tia lẳ điện (gại điện)…

Khi lựa chọn một phương pháp chuẩn bị bề mặt cần quan tâm đến độ bền dính

kết của lớp phủ, tới dạng bề mặt chi tiết, điều kiện làm việc của bề mặt… VD: lựa

chọn phương pháp cắt ren tròn, cắt ren bằng cùng với việc sửa lại đỉnh ren để tạo

nhám bề mặt khi yêu cầu lớp phủ dày.

Thực nghiệm cho biết: kết quả phun tốt nhất nhận được khi nào kích thước của

các phần tử kim loại được phủ nhỏ hơn phần rỗng của các rãnh nhấp nhô trên bề mặt

do nguyên công chuẩn bị tạo ra. Nhưng nếu độ nhám lớn quá sẽ không đạt được bề

mặt phủ tốt, vì vậy chỉ cần đạt đến độ nhám nhất định. Mức độ nhám tốt nhất là mức

độ tạo ra sự liên kết cơ học của các phần tử kim loại và nền cơ bản là cao nhất.

Trong các phương pháp chuẩn bị bề mặt, chuẩn bị bề mặt bằng phương pháp cơ

học (phun cát, phun bi) nâng cao được năng lượng điện trên bề mặt và cả lớp dưới bề

mặt. Hoạt tính bề mặt sau khi chuẩn bị sẽ giảm dần theo thời gian do phản ứng của

môi trường xung quanh hoặc do sự hấp thụ của môi trường làm giảm năng lượng tự

do của bề mặt. Vì vậy, cần tiến hành phun phủ ngay sau khi chuẩn bị bề mặt, khoảng

thời gian giữa hai nguyên công này không được vượt quá 8 tiếng.

- Tạo nhám bằng phương pháp gia công phun cát.


H5. 3. Tạo nhám bề mặt bằng phun cát

Được áp dụng đối với các chi tiết có đường kính hoặc chiều dày đến 15 mm,

các chi tiết có độ bền cơ học thấp hay giới hạn mỏi thấp. Phương pháp này dùng cả

khi làm sạch các chi tiết có hình dáng phức tạp, sửa chữa các vết nứt trên chi tiết đúc

bằng gang, chuẩn bị bề mặt chi tiết để bổ sung thêm lớp phủ chịu ăn mòn và dùng cho

trang trí.

Phương pháp này được thực hiện trong tủ phun cát hoặc trong phòng phun cát

bằng các thiết bị phun cát. Chất lượng bề mặt được xác định bằng độ nhám bề mặt, nó

phụ thuộc vào: độ cứng của bề mặt, chất lượng vật liệu phun, áp lực dòng khí nén,

khoảng cách vòi phun của thiết bị đến bề mặt được làm sạch, đường kính vòi phun,

góc nghiêng của dòng cát đến bề mặt phun.

- Tạo nhám bằng phương pháp gia công phun bi (phun hạt kim loại).

Sẽ làm thay đổi tính chất vật lý của lớp bề mặt, tạo ra lớp biến dạng và lớp hoá

bền sâu khoảng 0,2 0,4 mm do sự va đập rất mạnh của các hạt kim loại tác dụng như

những đầu búa nhỏ. Do có sự biến dạng nên làm tăng độ cứng, độ bền của lớp bề mặt,

tạo ra sự phân bố ứng suất rất tốt theo tiết diện của chi tiết và làm tăng đáng kể sức

bền mỏi của nó.

Phương pháp này được áp dụng cho các bề mặt chi tiết có hình dạng phức tạp,

bề mặt có độ cứng cao. Hạt kim loại thường bằng gang trắng và thép có đường kính

0,4 2 mm. Độ cứng của hạt bằng thép được duy trì với thành phần 0,7%C làm việc

sau 40 giờ độ cứng tăng tăng từ 30 37 HRC đến 42 44 HRC, sau 300 giờ có thể

đạt tới 48 50 HRC.

Bổ sung thêm phần phun bi

(hình biểu diễn,

- Tạo nhám bằng phương pháp cắt ren phẳng.

Là phương pháp phổ biến nhất để tạo ra độ nhám trên bề mặt trên bề mặt chi tiết

có hình dáng vật thể tròn xoay, phương pháp này cho độ bám giữa lớp phủ với bề mặt


chi tiết là cao nhất. Đầu tiên tiến hành tiện để khử độ ôvan, elip; rồi dùng dao tiện ren

để tạo ra bề mặt nhám.

Phương cắt răng tròn được áp dụng rộng để chuẩn bị bề mặt hình trụ, các trục

khuỷu bị mòn. Sử dụng dao tiện ren tròn chuyên dùng có bán kính đỉnh là 0.5 mm và

chiều rộng là 1,1 1,3 mm, cắt thành nhiều rãnh tròn song song nhau.

Ngoài các phương pháp tạo nhám bằng cắt ren thông thường, thực tế còn dùng tiện

ren sần sùi và phun cát. Phương pháp này được ứng dụng cho các chi tiết có hình dạng

tròn ngoài hoặc tròn trong khi có độ cứng thấp hoặc trung bình.

Bổ sung thêm phần tạo ren

- Tạo nhám bằng phương pháp tiện rãnh song song và lăn ép đỉnh.

Khi tiện ren để phun phủ kim loại sẽ làm cho sức bền mỏi của chi tiết bị giảm.

Nhưng nếu trên bề mặt có nhiều rãnh song song với nhau và có cùng một chiều sâu thì

sẽ hạn chế bớt được ứng suất tập trung trong quá trình làm việc của chi tiết.

Việc tiện các rãnh tròn tương tự như tiện các rãnh song song với cùng một loại dao

và cùng một kích thước ren, chỉ khác là tiện thành các rãnh song song với nhau

Bổ sung thêm phần lăn răng đỉnh

- Tạo nhám bằng phương pháp lăn khía và cuốn dây

Phương pháp lăn khía thực hiện bằng các dụng cụ chuyên dùng gồm một hoặc

nhiều dao phay nhỏ có răng thẳng hoặc nghiêng được đặt trên ụ dao của máy tiện.

Phương pháp cuốn dây dùng để chuẩn bị các bề mặt trục có độ cứng cao. Trước

tiên phải đem mài chi tiết để giảm bớt độ elip và độ côn, sau đó đặt lên máy tiện được

cuốn dây nhờ phanh ép bằng gỗ đặt trên ụ bàn dao. Có thể chọn dây bất kỳ, nhưng tốt

nhất là dây không gỉ có đường kính nhỏ hơn 2 lần so với chiều dày lớp phủ, bước

cuốn dây chọn từ 2 5 lần đường kính của dây. Sau khi cuốn dây chi tiết phải được

làm sạch bằng phun cát hoặc phun bi. Phương pháp này không làm yếu chi tiết, mà

làm tăng độ dính kết của lớp phủ, độ cứng và thời gian chuẩn bị giảm 3 3,5 lần so

với cắt ren.

- Tạo nhám bằng phương pháp gại điện

Để tạo sần sùi bề mặt với các chi tiết cứng bằng thép và gang (thường có độ cứng

50 HRC) mà các phương pháp cơ khí trên không thực hiện được thì phải sử dụng

phương pháp gại điện. Phương pháp này có thể sử dụng cho các chi tiết có độ cứng

cao và hình dạng bất kỳ như tròn, phẳng, ôvan ... Các phương pháp gại điện bao gồm:

- Làm nhấp nhô bằng hồ quang rung

- Làm sần sùi bằng tia lửa điện

- Làm sần sùi bằng phương pháp cơ dương cực

- Bổ sung thêm phần gặt điện


3.5.4. Xác định chế độ công nghệ phun phủ

Một số vấn đề cần chú ý:

- Chi tiết sau khi đã làm sần sùi và rửa sạch cần tiến hành phun ngay, càng sớm

càng tốt, không để vượt quá 1 2 giờ.

- Đối với chi tiết dạng tròn xoay, chúng được cặp trên máy tiện, còn đầu phun

được gắn trên bàn xe dao. Lúc đó chi tiết quay tròn và súng phun di động dọc theo

trục chi tiết tạo ra một lớp phun tròn đều.

- Đối với những chi tiết không có dạng tròn xoay thì súng phun cầm tay và lúc đó

súng phun sẽ được công nhân điều khiển để phun vào toàn bộ bề mặt chi tiết.

- Độ bám giữa lớp phun và chi tiết tốt nhất nếu chỉ phun một lần đã đạt được chiều

dày yêu cầu. Nhưng nhiều trường hợp phải tiến hành phun nhiều lượt. Lúc đó giữa các

lớp phun sẽ bị ngăn cách bởi một lớp bụi các hạt kim loại, làm giảm thấp độ dính bám

giữa lớp này với lớp kia.

- Trong quá trình phun cần giữ nhiệt độ của chi tiết không vượt quá 70 800C.

Nhiệt độ quá cao sẽ gây sự biến dạng, biến đổi tổ chức của chi tiết và giảm độ cứng

của lớp phun. Vì vậy quá trình phun có thể phun từng phần của chi tiết hoặc phun gián

đoạn.

- Khi phun những chi tiết có những chỗ chuyển tiếp đột ngột (như vai trục, gờ ...)

cần tiến hành phun tại đó tại đó trước đến chiều dày khoảng 1/3 1/2 chiều dày lớp

phun, mới bắt đầu phun các phần khác.

3.5.4.1. Tính toán chiều dày lớp phun

Kích thước của lớp phủ được xác định bởi diện tích bề mặt lớp phủ và chiều dày

lớp phủ. Trong đó, diện tích bề mặt lớp phủ phụ thuộc vào việc phủ toàn diện tích bề

mặt chi tiết hay phủ một phần làm việc.

Chiều dày lớp phủ là tổng của các thành phần sau:

- Chiều dày lớp phủ để gia công cơ khí h1

- Chiều dày lớp phủ để điền đầy các chỗ sần sùi h2

- Chiều dày lớp phủ để sửa chữa nhiều lần h3

- Chiều dày tối thiểu để đảm bảo sức bám dính h4

h = h1 + h2 + h3 + h4 (5.1)

Trong đó, h là chiều dày tổng cộng của lớp phủ và cũng chính là chiều dày cần

phun, h4 là chiều dày làm việc của lớp phủ.

Việc tính toán chiều dày lớp phun phủ sẽ cho ta biết lượng kim loại cần thiết.


3.5.4.2. Vật liệu dây phun

Công nghệ phun phủ thường dùng vật liệu ở dạng dây hoặc bột. Khi dùng dây để

tăng khả năng chịu mài mòn của chi tiết thì lớp phun phủ có độ cứng cao, với hàm

lượng cacbon của dây phun càng cao thì độ cứng của lớp phun càng cao.

Cần chú ý là độ cứng của lớp phun bao giờ cũng cao hơn nhiều so với độ cứng của

bản thân dây phun, nguyên nhân là do xuất hiện tổ chức mactenxit trong lớp phun.

Việc xuất hiện tổ chức mactenxit là do tốc độ nguội của các hạt phun rất nhanh

(bằng con đường phóng xạ và đối lưu không theo con đường truyền nhiệt). Tốc độ

nguội lạnh khi va đập vào bề mặt đạt 63000 320000C/s, lớn hơn rất nhiều so với tốc

độ làm nguội khi nhiệt luyện.

Ngoài ra độ cứng cao của các lớp phun là do hiện tượng biến cứng xuất hiện khi

các hạt phun bị va đập mạnh trên bề mặt chi tiết.

Khi sử dụng dây phun có hàm lượng cacbon cao còn làm giảm bớt việc thoát

cacbon trong quá trình phun, giảm bớt lượng ôxyt trong lớp phun nên làm tăng cơ tính

của lớp phun, giảm sự bong tróc các hạt phun, tăng cường độ chịu mòn của lớp phun.

Để đạt độ cứng và độ chịu mài mòn tốt, ngoài việc chọn dây phun có cacbon cao,

còn phải chọn chế độ phun hợp lý.

3.5.4.3. Chế độ phun kim loại

Chất lượng lớp phủ phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp chuẩn bị bề mặt, vật liệu

phun và chế độ phun. Trong đó, các yếu tố liên quan tới chế độ phun tuỳ thuộc từng

phương pháp phun.

a. Khoảng cách phun

Khoảng cách từ súng phun tới bề mặt chi tiết có ảnh hưởng rất lớn tới việc truyền

năng lượng cho các hạt phun trong quá trình bay tới bề mặt chi tiết. Do đó nó ảnh

hưởng đến chất lượng lớp phủ như độ cứng, độ bám dính, độ chịu mài mòn.

Nếu khoảng cách phun quá gần, độ cứng thấp vì lúc này lớp phủ bị quá nóng. Khi

khoảng cách quá xa, các hạt phun không điền đầy khít với nhau, độ xốp tăng nên độ

cứng sẽ giảm.

Ngoài ra khoảng cách phun cũng ảnh hưởng tới sự chịu mòn của lớp phủ.

b. Áp lực không khí nén

Áp lực không khí nén cần đủ để thổi các giọt kim loại lỏng thành chùm hạt nhỏ và

tạo biến dạng mạnh của các hạt khi va đập. Áp lực không khí nén ảnh hưởng tới độ

chịu mài mòn của lớp phủ và nó liên quan tới hệ số mất mát kim loại phủ.

Việc lựa chọn áp lực khí nén còn phụ thuộc vào loại đầu phun. Khi phun bằng đầu

phun hồ quang điện, áp suất tốt nhất của không khí nén để phun là 6 atm. Nếu quá lớn


sẽ ảnh hưởng đến quá trình phun, độ bám; khi giảm dưới 4,5 atm thì làm gián đoạn

công việc phun, lớp phủ khó đạt độ hạt nhỏ mịn.

c. Điện áp hồ quang

Điện áp hồ quang cần thiết để tạo ra sự ổn định hồ quang, tạo điều kiện cho dây

phun chảy đều và liên tục.

Nếu điện áp hồ quang thấp thì hồ quang không ổn định và bị ngắt quãng, nếu điện

áp hồ quang quá cao, mức độ oxy hoá các hạt sẽ tăng, do đó sẽ làm giảm chất lượng

lớp phủ và tăng lượng kim loại bị mất mát. Khi điện áp dưới 15v chỉ thấy xuất hiện

tiếng nổ, từ 15 25v hồ quang không ổn định và bị ngắt quãng.

d. Cường độ dòng điện

Chọn cường độ dòng điện phun phải đảm bảo sao ch o hiệu điện thế của nguồn

khi đầu phun vận hành là thấp nhất (30 40V). Cường độ dòng điện phun chọn trong

một phạm vi rộng hơn, giá trị của nó phụ thuộc vào công suất đầu phun (tốc độ cấp

dây), loại vật liệu và đường kính dây phun.

Bảng 5.3. Cường độ dòng điện phun

Dây phun có đường

kính 2,5mm

Công suất đầu phun

kg/h

Cường độ dòng điện

(A)

Thép 6,0 – 7,0 140

Nhôm 2,5 – 4,5 110

Đồng 11 120

Đồng thau 11 115

Đồng thanh 11 125

e. Ngọn lửa khí cháy

Với đầu phun bằng khí cháy axêtylen và ôxy thì cần phải chọn loại ngọn lửa cháy

thích hợp vì nó ảnh hưởng đến chất lượng của lớp phủ.

- Ngọn lửa trung hoà (O2/C2H2 = 1,1 1,2) được dùng nhiều cho phun kim loại

- Ngọn lửa các bon hoá (thừa C2H2) sẽ làm giảm công suất phun, tăng thành phần

các bon.

- Ngọn lửa ôxy hoá (thừa O2) sẽ làm tăng thành phần ôxyt trong lớp phủ, và giảm

công suất phun.

f. Tốc độ quay của chi tiết và lượng di chuyển của đầu phun

- Các bề mặt tròn xoay: tốc độ quay của chi tiết và tốc độ di chuyển của đầu phun

(thường lấy từ 1,6 6,4 mm/ph) nhằm tạo ra một lớp phun đều, không gây ra hiện

tượng quá nóng trên bề mặt chi tiết.

- Các bề mặt phẳng: tốc độ di chuyển của đầu phun lấy khoảng 10 26 mm/ph.


Ngoài ra trong quá trình phun còn phải điều chỉnh tốc độ dây phun. Tốc độ này tỷ

lệ với cường độ dòng điện và phải đảm bảo để dây phun được đẩy ra đầu súng đủ để

bù đắp những giọt kim loại bắn đi.

Thực nghiệm cho thấy để đảm bảo cho chi tiết khỏi quá nóng, sử dụng cường độ

dòng điện từ 60 80A, tốc độ đẩy dây phun bằng vật liệu thép các bon có đường kính

1,2 2mm khoảng 1,2 1,6mm/ph.

3.5.4.4. Kỹ thuật phun

Để tiến hành phun phủ kim loại, ta có thể sử dụng thiết bị phun bằng tay hoặc

điều khiển tự động. Khi phun nhất thiết phải quan tâm đến những yếu tố ảnh hưởng

đến chất lượng của lớp phủ và những yêu cầu đặt ra về kỹ thuật phun đối với người

công nhân để đảm bảo hoàn thành tốt việc phun phủ.

Những kết quả thực tế khi phun phủ kim loại đã cho biết rằng: thiết bị phun có ảnh

hưởng đáng kể đến chất lượng, tiếp đến là kỹ thuật sử dụng đầu phun, kỹ thuật phun

cho những điều kiện phun khác nhau về vật liệu phun, hình dạng và kích thước chi

tiết...

Khi phun phải chú ý đến việc khử độ ẩm và chất bẩn trong không khí nén. Sự có

mặt của dầu, nước và chất bẩn làm ảnh hưởng tới quá trình nóng chảy vật liệu. Đặc

biệt là các chất bẩn sẽ bám vào nền, ảnh hưởng đến độ liên kết giữa nền và lớp phủ

hoặc các liên kết giữa các lớp trong các lớp phủ. Trong thực tế, nếu khí nén bị lẫn dầu

mỡ và chất bẩn (thường quan sát thấy bằng mắt thường) trên lớp phủ, làm tăng thành

phần oxyt trong lớp phủ và làm giảm độ bám của lớp phủ, mặt khác có ảnh hưởng đến

quá trình vận hành khi phun.

a. Kỹ thuật phun cho các mặt phẳng và mặt không phẳng

Phun trên các bề mặt phẳng hoặc không phẳng bao giờ cũng yêu cầu kỹ thuật cao

hơn so với phun các bề mặt hình trụ tròn xoay


3.23. Hướng phun và góc phun mặt phẳng

- Đầu phun luôn để vuông góc với mặt phẳng, phạm vi thay đổi góc cho phép đến

45o so với bề mặt.

- Nếu góc phun nhỏ hơn thì khả năng bám dính kém do lớp phủ có dạng răng cưa.

- Nếu phun theo từng dải thì yêu cầu các dải đố phải trùng lên nhau 1/3 chiều rộng

của dải. Khi phun nhiều lớp thì yêu cầu lớp thứ hai phải thẳng góc với lớp thứ nhất,

nếu phun ba lớp thì lớp thứ ba có hướng của các dải lệch so với hướng của lớp thứ hai

một góc (60 120)o, mục đích để giảm độ xốp.

Với các mặt phẳng có diện tích lớn, cần phải chia mặt phẳng phun thành

các ô với kích thước (500 x 500), rồi tiến hành phun trên từng ô riêng rẽ để dễ theo

dõi. Thường phun từ bên ngoài vào và dần dần đi vào trung tâm.

b. Kỹ thuật phun cho các bề mặt tròn xoay

Với các chi tiết có dạng tròn xoay thì khi phun nên tiến hành phun một lần là

tốt nhất (có thể phun nhiều lần) với góc phun 900 để đảm bảo đồng đều chiều dày và

đạt được chất lượng lớp phủ tốt, nhưng cũng phải quan tâm đến mức độ nung núng

lớp phủ và khả năng làm nguội cần thiết.

H 3.25Hướng phun và góc phun mặt tròn xoay

4

5°

4

5°

90°

9

0°

60°-120°

2/3 1/3


Khi phun các mặt trong của hình trụ, phải lưu ý đến hiện tượng co rút của kim loại

phun gây tác dụng ngược lại với độ bám của lớp phủ và việc di chuyển đầu phun là

khó khăn. Thường tiến hành phun một lần và chọn tốc độ vòng quay lớn hơn, khoảng

20 23m/ph và lượng chạy dao cũng lớn hơn khoảng 4 mm/vòng.

c. Sự nung nóng sơ bộ bề mặt chi tiết

Sự nung nóng sơ bộ bề mặt chi tiết trước khi phun nhằm giảm hiện tượng co rút

tương đối giữa kim loại phun và chi tiết. Việc nung nóng được tiến hành trong các lò

nung hoặc dùng ngọn lửa khí cháy để đốt nóng. Nhiệt độ nung nóng sơ bộ khoảng 110

1400C, sau khi nung cần tẩy sạch lớp ôxyt bằng phun bi,

3.5.5. Gia công cơ khí sau khi phun, xử lý nhiệt lớp phủ

3.5.5.1. Gia công cơ khí sau khi phun

Tuỳ thuộc vào vật liệu, tính chất lớp bề mặt và dạng chi tiết mà sẽ có phương pháp

gia công phù hợp(có thể là tiện, phay, khoan, mài…) bề mặt lớp phủ.

Nguyên công này thường chỉ thực hiện khi bề mặt phun là bề mặt lắp giáp, cần

kích thước chính xác và độ nhẵn bóng bề mặt cao.

3.5.5.2. Xử lý nhiệt lớp phun

Nguyên công này chỉ thực hiện khi cần giảm độ xốp của lớp phủ và tăng độ bám

dính của lớp phủ với nền và thông thường là thiêu kết. Phương pháp này chỉ dùng cho

phun vật liệu bột, thường thiêu kết với nhiệt độ lớn hơn hoặc bằng nhiệt độ nóng

chảy của vật liệu bột.

VD: thiêu kết khuếch tán lớp phủ Ni - Cr - Al ở nhiệt độ 1040 11300 với thời

gian 2 4 giờ trong môi trường argon hoặc chân không, có thể thu được lớp khuếch

tán dày 10 15 m .

Bằng công nghệ làm chảy lại lớp phủ (nhiệt độ chảy lại ≥ nhiệt độ nóng chảy),

lớp phủ trên bề mặt chi tiết tạo thành lớp phủ đặc sít và có độ bền dính kết với bề mặt

nền cao (320 480 Mpa). Thường được tiến hành bằng ngọn lửa axêtylen và ôxy,

trong lò có môi trường khống chế, các lò muối, lò bằng dòng cao tần hoặc bằng ngọn

lửa hồ quang plasma.

Gia công nhiệt lớp phủ có thể kết hợp với gia công áp lực nhằm tăng độ lèn

chặt của lớp phủ như ép nóng thuỷ tĩnh, cán lăn, cán nguội sau khi gia công nhiệt.

Chế độ gia công nhiệt gia công nhiệt cần chọn thích hợp với vật liệu nền.

3.5.6. Kiểm tra lớp phủ

Kiểm tra lớp phủ sau khi phun được tiến hành trên chi tiết hoặc trên các mẫu trong

phòng thí nghiệm.


3.5.6.1 Đo chiều dày lớp phủ

Để đo chiều dày lớp phủ có từ tính ta có thể dùng thước cặp hoặc panme, phương

pháp này cho chiều dày lớp phủ tương đối chính xác. Trong trường hợp này, ta cần

phải tiến hành đo chiều dày chi tiết trước khi phun và sau khi phun, lấy hiệu giữa

chúng sẽ được chiều dày lớp phủ.

Đối với các lớp phủ không có từ tính được phủ lên kim loại từ tính thì có thể đo

chiều dày lớp phủ bàng phương pháp từ. Thiết bị này làm việc theo nguyên tắc đo

gián tiếp bằng lực hút của vật mang từ.

3.5.6.2. Kiểm tra độ bám lớp phủ

Độ bám của lớp phủ chủ yếu được kiểm tra trong phòng thí nghiệm và theo các

tiêu chuẩn nhất định (DIN, ASTM…). Tùy theo các tiêu chuẩn khác nhau mà ta có

các phương pháp kiểm tra khác nhau. Tuy nhiên, thường đo ứng suất kéo của lớp phủ.

ứng suất kéo (k) được tính theo công thức:

F

Pk (5.2)

Trong đó: P – lực kéo đứt (kN).

F – diện tích tiết diện lớp phủ chịu kéo (mm2).

Ngoài ra có thể dùng phương pháp gõ bằng búa cho các lớp phủ bằng thép có

chiều dày khoảng 2 mm, độ bám được đánh giá theo âm thanh khi gõ búa lên lớp phủ.

3.5.6.3. Xác định độ xốp của lớp phủ

Độ xốp là một trong những tính năng quan trọng nhất của lớp phủ. Đặc tính cấu

trúc xốp và độ ổn định của nó ảnh hưởng đến những tính chất sử dụng của lớp phủ

như độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt, độ thấm khí, điện trở...

Ảnh hưởng của độ xốp tới độ bền kết cấu có hai mặt: Nếu chi tiết làm việc trong

môi trường được bôi trơn đầy đủ, thì cấu trúc xốp cho phép thấm và giữ dầu bôi trơn

và tăng khả năng chống mài mòn của thiết bị. Đối với lớp phủ bảo vệ thì cấu trúc xốp

có ảnh hưởng xấu vì khí và chất lỏng có hại sẽ chui qua các lỗ xốp hở vào kim loại

nền và phá hủy kim loại nền.

Khi nghiên cứu cấu trúc xốp của lớp phủ người ta phân biệt mấy khái niệm sau: độ

xốp tổng (P), độ xốp hở (Ph), độ xốp kín (Pk) và độ xốp tản mát (Pt).

(5.3)

Độ xốp tản mát xuất hiện khi độ hòa tan của khí vào lớp phủ giảm đi khi làm

nguội. Đa số các trường hợp phun phủ, các hạt bột kim loại bị chảy ra, dẫn đến sự hòa

tan mạnh của oxy, nitơ và các khí khác vào kim loại lỏng. Khi lớp phủ nguội và kết

tinh thì khí sẽ thoát ra nhờ cơ chế khuyếch tán. Nếu khí khó thoát hẳn ra ngoài thì sẽ

tkh PPPP


động lại trong lớp phủ và tạo thành những lỗ xốp dạng cầu cực nhỏ. Những lỗ xốp này

có thể phân bố theo biên các hạt và có thể nằm cả bên trong từng hạt kim loại.

Phương pháp xác định tỷ khối và độ xốp của lớp phủ:

Để xác định độ xốp (P), người ta thường xác định tỷ khối tổng () của lớp phủ

theo các phương pháp sau đây:

- Cân khối lượng chất lỏng.

- Đo độ xốp thủy ngân.

- Soi kim tương (chính xác nhất cắt lớp phủ ra, soi trên kính hiển vi).

Trong các phương pháp kể trên,phương pháp cân khối lượng chất lỏng là

phương pháp đơn giản và khá chính xác, được dùng rộng rãi cho các loại lớp phủ.

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc lực đẩy Acsimét.

Ta có:

(5.4)

(5.5)

Từ đó ta có:

(5.6)

Tỷ khối của lớp phủ được tính theo công thức:

(5.7)

Trong đó: mp - khối lượng lớp phủ cân khô trong không khí (g).

m’p - khối lượng lớp phủ cân trong nước cất (g).

p - tỷ khối của lớp phủ (g/cm3).

n - tỷ khối của nước cất (pn = 1,0 g/cm3)

Vậy độ xốp tổng của lớp phủ tính theo công thức:

(5.8)

Trong đó: p (%) - độ xốp của lớp phủ (%).

d - tỷ khối đặc lý thuyết của vật liệu phủ (g/cm3).

3.5.6.4. Đo độ cứng của lớp phủ

Độ cứng là khả năng chống lại biến dạng dẻo cục bộ của vật liệu thông qua mũi

đâm. Độ cứng có các đặc điểm:

- Chỉ biểu thị tính chất của bề mặt mà không biểu thị chung cho toàn sản

phẩm.

ppp Vm .

nppp Vmm .'

n

p

pp

p

mm

m

'

'

.

pp

np

pmm

m

100.1%

d

pP


- Liên quan tới khả năng chống mài mòn của vật liệu, thông thường độ cứng

càng cao thì tính chống mài mòn càng tốt.

- Có quan hệ với giới hạn bền và khả năng gia công cắt, độ cứng càng cao thì

giới hạn bền càng cao và tính gia công cắt càng kém.

- Đo độ cứng đơn giản.

Có hai loại độ cứng: thô đại và tế vi, độ cứng thường dùng đều là độ cứng thô

đại vì mũi đâm và tải trọng đủ lớn để làm biến dạng nhiều hạt và pha, nên giá trị đo

được phản ánh khả năng chống lại biến dạng dẻo của tập hợp các hạt, pha trong vùng

tiếp xúc với mũi đâm và lân cận. Khi đo độ cứng tế vi người ta phải dùng mũi đâm bé

và đặc biệt là tải trọng nhỏ tác dụng vào từng hạt, thậm chí từng pha riêng rẽ với sự

trợ giúp của kính hiển vi quang học.

Độ cứng được ký hiệu bắt đầu bằng chữ H (hardness) với chữ tiếp theo chỉ loại.

Các phương pháp thường dùng để đo độ cứng: Brinnen (HB), Rôcvel (HRC, HRA,

HRB), Vicke (HV).

3.5.6.5. Đo độ mài mòn của lớp phủ

Mòn là kết quả tác dụng của ứng suất tiếp xúc hoặc áp suất khi các bề mặt tiếp xúc

trượt tương đối với nhau trong điều kiện không có ma sát ướt.

Cường độ mòn phụ thuộc vào nhiều nhân tố, mà chủ yếu là trị số ứng suất tiếp xúc

hoặc áp suất, vận tốc trượt, sự bôi trơn, hệ số ma sát, tính chống mòn của vật liệu

Để nâng cao khả năng chịu mài mòn có nhiều cách: tạo độ nhám bề mặt tối ưu cho

hai bề mặt tiếp xúc nhau theo điều kiện cụ thể, bôi trơn bề mặt tiếp xúc đầy đủ, dùng

vật liệu giảm ma sát, dùng các biện pháp làm tăng độ cứng bề mặt… Tuy nhiên, tùy

theo điều kiện làm việc cụ thể và khả năng mà ta chọn phương pháp nâng cao khả

năng chịu mài mòn thích hợp.

Phương pháp và quy trình đo độ mài mòn của lớp phủ

Có nhiều phương pháp đo độ mài mòn của lớp phủ, với mỗi phương pháp đều phải

sử dụng thiết bị và chuẩn bị mẫu theo một cách riêng phù hợp với phương pháp đó.

Tiêu chuẩn ASTM - G77 đo khả năng chịu mài mòn trượt cảa vật liệu sử dụng

mẫu xoay tròn (Ranking resistance of masterials to sliding wear using block-on-ring

wear test).


H3.26 Máy đo độ mài mòn TE97(England)

Theo tiêu chuẩn này, độ mài mòn được tính theo quá trình dịch chuyển của đầu

thử lên bề mặt mẫu

Đầu thử là thép được tôi với độ cứng rất cao, một đầu tỳ lên bề mặt mẫu, một đầu

được tác dụng một lực cố định. ở đây đầu thử đứng yên và tỳ lên bề mặt mẫu, cách

tâm mẫu thử một khoảng xác định còn mẫu thử xoay tròn quanh tâm với một tốc độ

xác định (h.5.6). Khi mẫu quay, xuất hiện lực ma sát giữa đầu thử và bề mặt mẫu, dẫn

đến sự mài mòn bề mặt mẫu; khi đó đầu thử sẽ dịch chuyển sâu vào bề mặt mẫu thử.

Độ dịch chuyển này rất nhỏ, không thể quan sát bằng mắt thường; tuy nhiên, trên máy

do có cảm biến để đo sự chuyển dịch này và kết quả đo được sẽ được tự động ghi lêi

bằng phần mềm điều khiển trên máy tính.

3.5.6.6. Đo khả năng chống ăn mòn của lớp phủ

Để đánh giá một cách toàn diện về tuổi thọ của các lớp phủ trong môi trường ăn

mòn người ta có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau. Mỗi phương pháp cho

những kết quả với độ chính xác tương đối khác nhau, để từ đó có thể nghiên cứu tìm

ra loại lớp phủ có những đặc tính tốt nhất, có khả năng chống chịu cao trong môi

trường ăn mòn.


H 3.27 . Sơ đồ nguyên lý đo điện hóa

1- điện cực chuẩn calomen; 2 - lớp thép nền;

3 - điện cực đối (HợP KIM Ti - Pt);

4 - lớp phủ;

5 - máy đo điện hóa AUTOLAB;

6 - máy tính.

Phương pháp đo điện hóa thường sử dụng là do nó có ưu điểm là chính xác, nhanh.

Hai phương pháp điện hóa hiện nay được dùng phổ biến là phương pháp đo tổng trở

và quét đường cong phân cực.

Phương pháp quét đường cong phân cực cho ta kết quả chính xác về dòng điện và

điện thế ăn mòn cũng như điện trở phân cực, từ đó có thể xác định được tốc độ ăn

mòn. Trong mọi trường hợp, điện thế ăn mòn là một điểm trên đường cong phân cực,

khi quét đường cong phân cực ta sẽ tìm được chính xác điểm này. Phép đo thực hiện

với hệ 3 điện cực: điện cực nghiên cứu, điện cực đối là điện cực trơ từ hợp kim titan -

platin, điện cực so sánh là điện cực calomen bão hoà.

Từ các số liệu dòng điện I (hoặc mật độ dòng điện i) tại các điểm trên dải quét của

điện thế điện cực E, ta dựng được đồ thị của đường cong phân cực. Từ các đồ thị đó

có thể xác định được các tính chất bảo vệ của lớp phủ với sự trợ giúp của chương

trình phần mềm máy tính đi kèm theo thiết bị đo điện hóa AUTOLAB. Xác định tốc

độ ăn mòn(mật độ dòng ăn mòn) bằng phương pháp ngoại suy hay phương pháp điện

trở phân cực.

2

1 3

4

5 6


3.5.6.7. Đo khả năng chịu nhiệt của lớp phủ

a. Oxy hoá thép

Oxy hóa là một dạng ăn mòn hóa học trong môi trường xâm thực là oxy, đặc biệt

là dưới nhiệt độ cao. Khi nâng cao nhiệt độ, các nguyên tử kim loại trong thép nhanh

chóng tác dụng với oxy tạo thành oxyt. Sự tạo thành lớp vẩy oxyt và sự phát triển

nhanh của nó sẽ nhanh chóng làm giảm tiết diện chịu tải và làm giảm độ bền. Với thép

thường, khi làm việc ở trên 5700C, sự tạo thành lớp vẩy oxyt trở nên nhanh đột ngột

do cấu trúc chủ yếu là FeO xốp, không có tính bảo vệ. Vì vậy, phải hợp kim hoá thép

bằng Cr, Mo, Si để tạo nên các oxyt tương ứng với cấu tạo xít chặt có tính bảo vệ cao;

nhiệt độ làm việc càng cao lượng nguyên tố kể trên, đặc biệt là Cr càng phải cao. Xét

về phương diện này các thép không gỉ không ít thì nhiều đều là thép bền nóng.

b. Phương pháp đo khả năng chịu nhiệt của lớp phủ

Dùng phương pháp cân mẫu sau khi lớp phủ bị oxy hoá do nung nóng để xác định

mức độ tăng trọng lượng tương đối (mg/cm2) của mẫu. Từ đó có thể đánh giá được

mức độ oxy hóa của lớp phủ theo thời gian.

3.5.6.8. Khảo sát các tính chất khác của lớp phủ

Ngoài các tính chất trên, tùy theo trường hợp cụ thể khảo sát các tính chất khác

của lớp phủ: tính dẫn điện, cách điện, dẫn nhiệt, chịu nhiệt…

3.5.7. Các yêu cầu về an toàn lao động

1/- Tiếng ồn

Khi phun phủ kim loại phải sử dụng khí nén, do đó sẽ tạo ra tiếng ồn lớn. Tùy theo

từng kiểu thiết bị phun, vật liệu phun và các thông số hoạt động của máy mà mức

tiếng ồn khác nhau. Mức tiếng ồn đo được cách sau vòi phun một mét đối với phun hồ

quang điện thường là (102 106)dB, quá ngưỡng chịu đựng của tai người. Khi phun

nổ thì mức độ ồn cao nhất do kênh sóng nổ tạo nên. Do vậy, khi phun nhất thiết phải

đeo thiết bị bảo vệ tai.

Áp lực khí nén rất lớn nên không được chĩa thẳng vào người.

2/- ánh sáng

Hồ quang điện hoặc plasma phát ra các tia cực tím rất có hại cho các mô tế bào

của cơ thể nên buồng phun và các tấm chắn cần được lắp kính màu có khả năng hấp

thụ tia cực tím. Nếu không có phòng riêng biệt dành cho phun hồ quang, cần có các

tấm chắn quanh chỗ làm việc khi vận hành máy.

Khi phun, để bảo vệ mắt tất cả mọi người phải đeo kính bảo vệ (loại kính chuẩn

dành cho hàn hồ quang). Ngoài ra, phải mặc quần áo bảo hộ, đeo gang tay…

3/- Khói và bụi


Khi vật liệu nóng chảy sẽ sinh ra nhiều bụi và khói. Người vận hành máy phải đội

mũ chụp với kính để chống hồ quang. Hệ thống cấp khí cho người đội sẽ giúp giảm

tối thiểu việc hít phải các hơi vật liệu.

Ngoài ra, trong phân xưởng phun kim loại phải được trang bị các thiết bị hút bụi,

hít khí độc hại và phải thông gió tốt để luôn đem đến không khí sạch cho toàn bộ phân

xưởng

Các mối nguy hiểm:

- Bụi polyme, ceramic tích tụ trong người sẽ gây ung thư.

- Bụi kim loại dễ kết tụ lại nên cần thường xuyên lau chùi máy và nơi làm

việc (đặc biệt đối với nhôm).

- Một số vật liệu như Al, Zn, các kim loại kiềm dễ phản ứng với nước và

giải phóng H2. Đây là phản ứng dễ gây nổ nên phải cẩn thận khi rửa máy bằng nước.

- Hơi Zn, Cu rất có hại khi ngửi và dễ gây dị ứng nên cần có các biện pháp y

tế ngay khi hít phải.

4/- Điện

Thiết bị phun hồ quang điện làm việc ở hiệu điện thế thấp (< 45V- DC) nhưng

cường độ dòng điện làm việc rất lớn. Các khối nguồn được kết nối với nguồn xoay

chiều (380 440)V và an toàn với tay người cầm khi thiết bị làm việc bình thường.

Tuy nhiên cần phải thực hiện đầy đủ các quy định an toàn về điện.

5/- Bình áp lực

Đối với các bình chứa axetylen, bình chứa oxy phải chú ý đến các quy định

an toàn tránh gây nổ.

6/- Các nguyên tắc an toàn khi phun

- Cầm súng phun thật cẩn thận.

- Không chĩa súng vào người khác hay các vật dễ cháy.

3. Phân loại mòn

Đặc trưng cho quá trình hư hỏng cơ học là sự mài mòn. Đặc trưng cho sự tác dụng

hoá lý gọi là ăn mòn (hay sự gỉ). Mòn nói chung được phân loại thành 3 loại :

a- Mòn cơ học (còn có tên gọi mài mòn): là dạng mòn do các tác dụng cơ học. Đây là

dạng hư hỏng do va chạm, mài mòn do tróc dính, do sự phá huỷ

các bề mặt liên quan đến sự hao mòn vật liệu. Các giai đoạn mài mòn được biểu thị

như hình sau đây :

b - Mòn dưới tác dụng của môi trường: Mòn do dòng chất lỏng, dòng khí hoặc hoá

chất. Mòn dạng này có thể do các chất trên hoμ tan khuyếch tán hay thẩm thấu theo

thời gian vμo chi tiết máy; cũng có thể do tác dụng hoá học, do các tác dụng của áp

lực có chu kỳ hoặc không chu kỳ tiếp xúc với chi tiết... Các dạng mòn trên được gọi là


ăn mòn kim loại. Dựa theo môi trường có chất điện ly hay

không mà người ta chia ra : ăn mòn hoá học và ăn mòn điện hoá.

c - Dạng thứ 3 là dạng kết hợp cả cơ học và ăn mòn vật liệu: dưới tác dụng của các

môi trường. Dạng mài mòn (mòn cơ học) thường xuất hiện trên các bề mặt khô tiếp

xúc có chuyển động tương đối với nhau, đặc biệt các bề mặt lắp ghép quá chặt, ma sát

lớn, ... Mòn cơ học xuất hiện khi có chuyển động của kim loại trên kim loại hay có

môi trường các chất phi kim loại chuyển động trên nó. Trong thực tế người ta phân

mòn cơ học ra các loại như sau:

+ Sự phá huỷ bề mặt do tróc dính (tróc loại 1)

Do ma sát hình thμnh các mối liên kết cục bộ, gây biến dạng và phá hỏng mối liên kết

đó (quá tải cục bộ). Xuất hiện chủ yếu ở ma sát trượt, tốc độ dịch chuyển nhỏ, thiếu

bôi trơn làm áp suất cục bộ tăng quá giới hạn chảy.

+ Sự phá huỷ bề mặt do tróc nhiệt (tróc loại 2 hay mài mòn nhiệt)

Do ma sát nhiệt độ tăng đáng kể hình thành các mối liên kết cục bộ, gây biến dạng

dẻo rồi phá hỏng mối liên kết ấy (quả tải nhiệt). Dạng này xuất hiện chủ yếu do

chuyển dịch tương đối lớn và áp lực riêng p tăng, cấu trúc kim loại xảy ra hiện tượng

kết tinh lại, ram, tôi cục bộ. Tróc loại 2 còn tuỳ thuộc vào độ bền, tính dẫn nhiệt, độ

cứng của vật liệu ...

+ Sự phá huỷ do mõi : đây là dạng mài mòn rổ hay pitting.

Do tác động của ứng suất biến đổi chu kỳ, ứng suất tăng lên và lớn hơn giới hạn đàn

hồi. Hiện tượng này xảy ra do mối liên kết ma sát không liên tục, nó xảy ra trong từng

phần của của bề mặt tiếp xúc. Phá huỷ do mõi thường gặp ở những bề mặt có nứt tế

vi, vết lỏm sâu, độ bóng thấp hoặc không đồng đều. Dạng mòn này thường xảy ra khi

có ma sát lăn, trên bề mặt của ổ lăn vμ ổ trượt, trên bề mặt

của bánh răng,...

+ Phá huỷ bề mặt do xói mòn kim loại (Mòn do tác dụng của môi trường các dòng

chảy). Là sự phá huỷ các bề mặt do lực tác dụng va đập và lập lại nhiều lần hoặc thời

gian kéo dài, áp lực lớn của dòng chất lỏng, dòng khí, dòng chuyển động của bột mài,

sự phóng điện hoặc chùm tia năng lượng ... chúng làm cho quá trình mòn do ma sát

phức tạp thêm.

Documents

CÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP VÀ PHUN PHỦ113.160.134.160/sach/02200000.pdfCÔNG NGHỆ HÀN ĐẮP VÀ PHUN PHỦ